β-Ga2O3單晶的生長、加工及性能研究.pdf

1、作為新型的半導(dǎo)體材料，β-Ga2O3研究仍處于初期階段，晶體質(zhì)量、基本物理性能、半導(dǎo)體性能優(yōu)化、器件及應(yīng)用方面仍有待系統(tǒng)研究。高質(zhì)量單晶材料的研制是β-Ga2O3后期應(yīng)用的前提，本論文以高質(zhì)量β-Ga2O3單晶的生長為核心，以滿足器件要求為目標(biāo)。對晶體生長方法選取及設(shè)備改造、晶體生長工藝優(yōu)化、晶體質(zhì)量表征、晶體性能表征、晶體加工及器件進(jìn)行了系統(tǒng)研究;同時對元素?fù)诫s、電學(xué)性質(zhì)調(diào)控及其能帶工程進(jìn)行了探索;此外，本論文還對過渡金屬離子摻雜β-

2、Ga2O3晶體在光學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用進(jìn)行了探索。
　　論文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　Ⅰ.β-Ga2O3單晶生長及工藝優(yōu)化
　　分別采用提拉法和導(dǎo)模法進(jìn)行了β-Ga2O3單晶的生長研究，對兩種晶體生長方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析后，選擇導(dǎo)模法生長高質(zhì)量β-Ga2O3單晶。根據(jù)導(dǎo)模法晶體生長技術(shù)特點(diǎn)，我們重點(diǎn)從模具頂端溫場調(diào)控、氧化鎵熔體揮發(fā)與分解抑制、籽晶質(zhì)量、晶體放肩控制、生長氣氛等方面，對β-Ga2O3晶體生長技術(shù)進(jìn)

3、行系統(tǒng)探索。利用自主改進(jìn)導(dǎo)模法晶體生長爐，獲得了高質(zhì)量β-Ga2O3單晶。通過X射線勞埃背反衍射、高分辨X射線φ掃描證明晶體中無孿晶，且晶體的各部分晶向均勻一致。晶體(100)面高分辨X射線搖擺曲線半峰寬小于50arcsec，證明晶體結(jié)晶質(zhì)量較高。
　　Ⅱ.β-Ga2O3單晶物理性質(zhì)研究
　　在獲得高質(zhì)量單晶的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了β-Ga2O3基本物理性能及其各向異性，為后期晶體應(yīng)用提供了參考。β-Ga2O3晶體a*、b、c*

4、三個方向莫氏硬度分別為6.39、5.87、6.82;632.8nm處折射率分別為1.9027、1.9405、1.9304。室溫下a*、b、c*三個方向熱導(dǎo)率分別為14.9，27.9和17.9W·m-1·K-1;500℃時三個方向的熱導(dǎo)率分別下降為6.0，11.3和7.4W·m-1·K-1，通過指數(shù)坐標(biāo)系下擬合，確定晶體熱量傳導(dǎo)過程主要由聲子貢獻(xiàn)。通過透過光譜測試，得到(100)、(010)、(001)三個晶面紫外截止邊為262.2nm、

5、270.8nm、262.2nm，對應(yīng)光學(xué)帶隙為4.70eV、4.55eV、4.70eV。通過測試偏振透過光譜，研究了晶體不同偏振方向紫外截止邊的各向異性，其中E//a、E//b及E//c三個偏振方向?qū)?yīng)截止邊為270.0nm、261.8nm及276.1nm，進(jìn)而解釋了(100)面透過光譜紫外波段存在平臺的原因。通過拉曼光譜測試，確定晶體最大聲子能量為767.8cm-1。通過霍爾效應(yīng)測試，確定非故意摻雜β-Ga2O3晶體為n型導(dǎo)電，施主濃

6、度為3.92×1016cm-3，電子遷移率為107cm2·V-1·s-1，晶體電阻率為1.49Ω·cm;通過GDMS測試，確定非故意摻雜晶體中施主來自于原料中的Si雜質(zhì)。
　?、?β-(AlxGa1-x)2O3單晶生長及基本物理性質(zhì)表征
　　為豐富β-Ga2O3材料體系，開展了β-Ga2O3能帶工程研究。通過不同濃度Al元素?fù)诫s，我們獲得了禁帶寬度更大的β-(AlxGa1-x)2O3（簡稱β-AlGaO）單晶及Si摻雜β-A

7、lGaO單晶。
　　Al在晶體中分凝系數(shù)為1.01。Al含量為2.22at.％時，β-AlGaO晶體室溫下b向熱擴(kuò)散系數(shù)為6.00mm2·s-1，當(dāng)溫度升高到750℃時熱擴(kuò)散系數(shù)下降為1.53mm2·s-1，相對β-Ga2O3晶體，β-AlGaO導(dǎo)熱性能有所降低。分析了β-AlGaO晶體紫外透過光譜、禁帶寬度及拉曼光譜隨Al濃度的變化，并對β-AlGaO晶體紫外透過光譜及禁帶寬度的各向異性進(jìn)行了研究。其中Al摻雜濃度為4.01at

8、.％時，(100)面光學(xué)帶隙為4.91eV。通過偏振光譜測試，得到E//c及E//b兩個偏振方向?qū)?yīng)禁帶寬度為4.64eV和4.91eV。通過霍爾效應(yīng)測試，獲得了Si摻雜β-AlGaO晶體電子濃度為4.7×1018cm-3，室溫下電子遷移率為13.4cm2·V-1·s-1，晶體電阻率為0.099Ω·cm。Si離子的摻入有效提高了β-AlGaO晶體電導(dǎo)率。
　?、?β-Ga2O3晶體加工及表面改性探索
　　通過優(yōu)化晶體切割工藝

9、，解決了β-Ga2O3晶體切割開裂、崩邊問題。提出了β-Ga2O3晶片機(jī)械剝離加工方法，避免了傳統(tǒng)晶體研磨、拋光過程中晶體開裂的問題。通過剝離獲得了表面粗糙度低于0.1nm的超光滑襯底片，為國內(nèi)多家單位提供了數(shù)百片襯底，促進(jìn)了國內(nèi)β-Ga2O3薄膜外延及相關(guān)器件的發(fā)展。
　　通過系統(tǒng)退火研究，得到了不同氣氛對β-Ga2O3及β-AlGaO襯底性能影響規(guī)律，并初步分析了晶體表面電阻率變化機(jī)理。其中氧氣退火及氫氣退火對電阻率較高的純β

10、-Ga2O3晶體紅外透過率及載流子濃度的影響較小。1150℃氧氣退火可以有效提高n型高摻β-Ga2O3晶體紅外透過率。通過C-V測試證明晶體表層載流子濃度大大降低，甚至變?yōu)榘虢^緣，然而晶體內(nèi)部載流子濃度變化較小。結(jié)合晶片表層及內(nèi)部雜質(zhì)濃度分析，我們認(rèn)為晶片表層載流子濃度降低的主要原因是氧氣退火作用下使施主雜質(zhì)失去了提供自由電子的能力。氧氣退火對晶體載流子濃度降低的作用是非可逆的。后續(xù)惰性氣氛及還原性氣氛下退火，不能使晶體載流子濃度恢復(fù)到

11、原有水平。除此之外，我們發(fā)現(xiàn)適當(dāng)溫度下的氧氣退火可以有效降低晶片表面粗糙度。
　?、?β-Ga2O3及β-AlGaO“日盲”探測器與肖特基二極管
　　新材料制備的最終目的是應(yīng)用于半導(dǎo)體器件。在獲得高質(zhì)量β-Ga2O3及β-AlGaO單晶襯底基礎(chǔ)上，我們開展了基于單晶襯底的紫外探測器及肖特基二極管的探索。紫外探測方面，我們采用簡單MSM結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對“日盲”波段的選擇性響應(yīng)。探測器波長響應(yīng)范圍為220nm-280nm，最大響應(yīng)

12、波長為250nm，響應(yīng)時間Tr=4.4s，衰減時間Td=0.14s。為優(yōu)化器件性能，我們在電阻率較高的Ti3+β-Ga2O3晶片上制作了MSM型探測器，器件響應(yīng)時間Tr=0.6s，衰減時間Td=0.12s，性能得到提升。與目前文獻(xiàn)報道MSM型相比，器件性能也處于較高水平。
　　肖特基二極管方面，通過調(diào)控襯底載流子濃度，優(yōu)化了Pt/β-Ga2O3肖特基二極管性能。其中基于高阻襯底（載流子濃度2.4×1014cm-3）器件，肖特基勢壘

13、高度φb=1.39eV，導(dǎo)通電阻Ron=12.5mΩ·cm2，器件得到廣泛關(guān)注?；诘妥枰r底（載流子濃度為2×1017cm-3）器件，Ron降低至2.9mΩ·cm2，2V下的電流密度從56A/cm2提高至421A/cm2，器件綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。
　　設(shè)計了新型Pt/β-AlGaO肖特基二極管，并對其性能進(jìn)行了初步研究。器件理想因子為1.1，肖特基勢壘高度為1.35eV，開啟電壓為1.18V，導(dǎo)通電阻僅為2.05mΩ·cm2

14、，2V下的電流密度達(dá)到400A/cm2，器件性能得到進(jìn)一步提高，其中導(dǎo)通電阻優(yōu)于目前文獻(xiàn)報道β-Ga2O3及β-AlGaO器件。優(yōu)異的器件性能，充分證明了β-Ga2O3及β-AlGaO晶體在功率器件方面的巨大應(yīng)用潛力，也證明了我們單晶襯底具有較高質(zhì)量。
　?、?過渡金屬離子摻雜β-Ga2O3晶體生長及新應(yīng)用探索
　　通過摻入過渡金屬離子Cr3+、Cr4+、Co2+及Ti3+，實現(xiàn)了對β-Ga2O3光、電性能的調(diào)控，拓展了晶體

15、在固態(tài)激光方面的應(yīng)用。
　　使用導(dǎo)模法生長獲得了Cr3+∶β-Ga2O3及Cr4+∶β-Ga2O3晶體，對其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了比較，使用Cr4+∶β-Ga2O3做為可飽和吸收體，實現(xiàn)了對1064nm激光的被動調(diào)制，獲得了功率50mW，重復(fù)頻率421.5kHz，脈寬235.2ns的激光輸出。首次將β-Ga2O3晶體應(yīng)用固態(tài)激光領(lǐng)域。
　　首次生長獲得了Co2+∶β-Ga2O3晶體，通過與Si4+離子共摻，解決了異價摻雜導(dǎo)致晶體質(zhì)量

16、降低問題。Co2+∶β-Ga2O3晶體在1173nm及1588nm處，出現(xiàn)了Co2+離子的特征寬帶吸收峰。使用Co2+∶β-Ga2O3晶體做為可飽和吸收體，實現(xiàn)了對1341nm激光的被動調(diào)制，獲得最高輸出功率35mW，重復(fù)頻率181kHz，脈寬280ns的激光輸出。通過紅外透過光譜分析、COREMA-VT設(shè)備測試，確定Co2+∶β-Ga2O3晶體室溫下電阻率為1.4×1010Ω·cm，可做為半絕緣襯底使用。
　　使用導(dǎo)模法生長獲得

17、了Ti3+∶β-Ga2O3晶體，并對其熱學(xué)性能，光學(xué)性質(zhì)及其各向異性進(jìn)行了詳細(xì)表征。Ti3+∶β-Ga2O3晶體比熱為0.483J·g-1·K-1(20℃)，b向熱擴(kuò)散系數(shù)為8.427mm2/s，熱導(dǎo)率可達(dá)24.7W·m-1·K-1(25.5℃)，相對常用激光晶體，Ti3+∶β-Ga2O3熱導(dǎo)率具有明顯優(yōu)勢。Ti3+β-Ga2O3晶體吸收及發(fā)射截面具有較大的各向異性，具有屬于典型Ti3+離子2T2→2E躍遷的寬帶的吸收峰，E//c在51