复旦大学&苏州纳米所---通过MOCVD技术生长高质量β-Ga₂O₃/AlN SBD的能带排列、热传导特性和电学性能

由复旦大学及苏州纳米所的研究团队在学术期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 发布了一篇名为 Band Alignment, Thermal Transport Property, and Electrical Performance of High-Quality β-Ga₂O₃/AlN Schottky Barrier Diode Grown via MOCVD（通过 MOCVD 技术生长的高质量 β-Ga₂O₃/AlN 肖特基势垒二极管的能带排列、热传导特性和电学性能）的文章。

1. 项目支持

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFB4606300）、国家自然科学基金（No. 62474049）、上海市科学技术委员会科技创新计划（No. 21DZ1100800、23ZR1405300、20501110700 和 20501110702）以及长三角科技创新共同体联合研究计划（No. 2023CSJG0600）的支持。昊远精测光电科技（上海）有限公司为该项研究提供了 Autinst PIONEER-ONE TDTR 系统进行热学测试及技术支持。样品制备在复旦大学工研院、复旦大学微纳加工和器件公共实验室和中科院苏州纳米所纳米加工平台共同完成。

2. 背景

作为超宽禁带半导体，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其优异的物理特性（如宽带隙 4.5-4.9 eV，高击穿场强 ~8 MV/cm，更低生产成本）在超高压高功率电子器件领域备受关注。但是，β-Ga₂O₃ 极低的晶格热导率（<27 W/mK）会导致器件严重的自热效应，影响器件的可靠性和电学性能。将 β-Ga₂O₃ 与高热导率衬底（如金刚石、SiC、AlN、h-BN等）异质集成是优化散热能力的有效途径。氮化铝（AlN）本身也是一种超宽禁带半导体（带隙 ~6.2 eV），具有高击穿场强（~15 MV/cm）和高热导率（>300 W/m·K）。(-201) 取向的 β-Ga₂O₃ 与 (0001) 取向的 AlN 之间晶格失配较小（~2.4%），有利于高质量外延生长。理论预测 β-Ga₂O₃/AlN 异质结具有高二维电子气（2DEG）密度，适用于高电子迁移率晶体管（HEMTs）。金属有机化学气相沉积（MOCVD）是制备高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜和 β-Ga₂O₃/AlN 异质结的常用且具有成本效益的方法。已有研究涉及 MOCVD 生长 Ga₂O₃/AlN 异质结及其能带结构，但对其热输运性质和基于此异质结的肖特基势垒二极管（SBD）的系统研究尚不充分。

3. 主要内容

β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）/氮化铝（AlN）异质结在高功率和微波器件应用方面具有巨大潜力。在本研究中，研究团队通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法生长制备 β-Ga₂O₃/AlN 异质结及其肖特基二极管。高分辨率 X 射线衍射（HRXRD）和拉曼光谱揭示了异质结的晶体结构，发现异质结的结晶质量很高。原子力显微镜（AFM）扫描显示 β-Ga₂O₃ 表面光滑，均方根（RMS）粗糙度为 3.6 nm。扫描电子显微镜（SEM）图像显示表面平坦，异质结边界清晰。通过使用能量色散光谱（EDS）绘制了界面处的元素分布。X 射线光电子能谱（XPS）分析表征了样品的化学成分，并证实了异质结中存在有利于电子积累的 II 型能带排列。此外，通过时域热反射（TDTR）法确定了β-Ga₂O₃ 的热导率为 4.2 W/(m·K)， β-Ga₂O₃/AlN 的界面热导率为 118.6  MW/(m²·K)。Keithley 4200A-S 和 Keysight 1505B 的电学测试获得了 β-Ga₂O₃/AlN SBD 的直流特性和击穿特性，包括 0.1 V的低开启电压、4.22 的理想因子、48.5 A/cm² K² 的修正理查森常数以及 1260 V 的高击穿电压。所有这些值在基于 β-Ga₂O₃ 的异质结构中都具有竞争力。研究成果展现了 β-Ga₂O₃/AlN 异质结的出色界面质量、卓越的散热能力和良好的器件电学性能，为开发高温高压 β-Ga₂O₃ 功率器件提供了参考。

4. 总结

通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）法成功生长高质量的 β-Ga₂O₃/AlN 异质结构。研究人员深入分析了异质结的物理和光学特性、能带排列、传热特性和器件电学性能。异质结构具有较高的结晶质量、3.6 nm 的低表面粗糙度和良好的界面质量。XPS 光谱证实了样品中存在不同的成分，揭示了 β-Ga₂O₃/AlN 界面的 II 型能带偏移。TDTR 测得 β-Ga₂O₃ 的热导率为 4.2 W/（m·K），β-Ga₂O₃/AlN 的界面热导率为 118.6 MW/（m²·K），这表明与 AlN 异质集成实现了高效散热。电学测量结果表明，β-Ga₂O₃/AlN 肖特基势垒二极管具有 0.1 V 的低导通电压、4.22 的理想因子、48.5 A/cm² K² 的修正理查森常数以及高温下超过 1.2 kV 的高击穿电压等优异性能。

这些研究结果表明，β-Ga₂O₃/AlN 异质结构有望成为一种创新解决方案，用于需要加强热管理的功率器件，尤其是在高温环境下。这些成果为开发性能和可靠性更高的先进功率器件打开了大门。未来的研究重点是制造一种新型的 β-Ga₂O₃/AlN 功率器件，这种器件具有更低的导通电阻、理查森常数和势垒不均匀性，同时还能保持较高的散热能力和优异的击穿特性。该器件在功率和射频电子学中的实际应用也备受关注。

5. 图文示例

图 1. (a) β-Ga₂O₃、AlN 和蓝宝石峰的 XRD 2θ/ω 扫描。(b、c）（-402）β-Ga₂O₃ 峰和 (002) AlN 峰的 FWHM 值。(d) (-402) β-Ga₂O₃ 峰的摇摆曲线。(e) β-Ga₂O₃/AlN 异质结构的拉曼光谱。(f) AlN/蓝宝石和 β-Ga₂O₃/AlN/ 蓝宝石异质结构的 SE 实验。

图 2：（a-c）AlN/蓝宝石衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的二维和三维原子力显微镜图像以及高度轮廓。(d）β-Ga₂O₃/AlN 异质结构的横截面和（e）表面高分辨率 SEM 图像。(f) 光谱 1 和光谱 2 的扫描区域。 (g-j) 不同元素（包括 Ga、N、Al 和 O）的 EDS 图谱。

DOI：

doi.org/10.1021/acsami.5c04203

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号