摘要：在国家重点研发计划“大尺寸氧化镓半导体材料与高性能器件研究” （项目编号：2022YFB3605500）支持下，厦门大学张洪良系统地研究了杭州富加镓业科技有限公司（以下简称：富加镓业）提供的分子束外延（MBE）制备氧化镓薄膜的电输运性质，并与日本及美国科研团队

在国家重点研发计划“大尺寸氧化镓半导体材料与高性能器件研究” （项目编号：2022YFB3605500）支持下，厦门大学张洪良系统地研究了杭州富加镓业科技有限公司（以下简称：富加镓业）提供的分子束外延（MBE）制备氧化镓薄膜的电输运性质，并与日本及美国科研团队成果进行比对，结果表明富加镓业所生长的氧化镓MBE外延片电学性能与国外最高水平相当。另外，与中科院上海光机所团队合作，结合变温电输运性质和高分辨光电子能谱技术研究了Sn掺杂激活机制和缺陷态微观信息，为进一步优化掺杂策略和器件性能提供了指导，相关研究结果刊登在国际应用物理知名期刊 Materials Today Physics（影响因子10.0）。

氧化镓是一种新兴的超宽禁带半导体材料，具有超宽的带隙、超过的耐压、高的热稳定性等优异材料性能，是新一代功率电子器件、深紫外光电器件的优选材料，在新能源汽车、轨道交通、智能电网、航空航天、导弹预警等高端领域具有潜在应用，氧化镓也因此被誉为“第四代”半导体。氧化镓材料和器件也因此受到全球各国半导体产业界和学术界的高度重视，发展迅速。2022年8月美国和日本相继对我国实行氧化镓禁运，凸显其在国际战略竞争中的重要性。氧化镓半导体的产业链包括单晶衬底、薄膜外延和器件制作等主要环节。其中，外延薄膜是连接氧化镓衬底和器件的关键卡脖子环节，其品质决定了器件性能。要实现高性能的氧化镓电子器件，就需要制备出低缺陷密度、高迁移率的外延薄膜，并对其电学性质进行精确调控。MBE技术在薄膜生长过程中能够实现原子层级别的精确控制，可以获得低缺陷密度和极高界面质量的薄膜，这些优势对于横向器件或构筑界面二维电子气实现高电子迁移率晶体管（HEMT）具有重要的意义。

富加镓业是国内最早开展MBE外延氧化镓薄膜的单位之一，通过MBE技术成功生长了非故意掺杂（UID）Ga2O3 薄膜，其背景载流子浓度为1.6×1016 cm-3，电子迁移率高达129cm2V-1s-1。在此基础上，通过精确调节Sn掺杂源 K-cell 的温度，进一步制备了具有不同Sn掺杂浓度的Ga2O3薄膜，实现了载流子浓度从1.7×1017cm-3到2.8×1019cm-3 的大范围调控（图1a）。Sn掺杂氧化镓MBE外延薄膜的电学性能与日本NCT（novel crystal technology）和美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）James Speck教授团队利用 MBE 技术所实现的最高水平相当（图1b）。

图1 (a)不同Sn源温度得到的 Ga2O3 薄膜的载流子浓度及迁移率；(b)本工作与其他报道中 MBE 生长的 Ga2O3 薄膜迁移率-载流子浓度关系比较。

在此基础上，研究团队结合变温输运测试和国际上先进的同步辐射硬X-射线光电子能谱（英国钻石光源）对外延薄膜的电输运性质和电子结构进行系统性研究。研究揭示了Sn掺杂Ga2O3薄膜电输运机制、缺陷态和电子结构等微观信息随 Sn 掺杂的演变规律和物理机制。

图2 UID Ga2O3的变温(a)载流子浓度与(b)迁移率的实验数据和拟合结果；Sn掺杂 Ga2O3的变温(c) 载流子浓度与(d)迁移率的实验数据和拟合结果。

相关工作分别以“Transport and electronic structure properties of MBE grown Sn doped Ga2O3 homo-epitaxial films ”为题发表在Materials Today Physics 48,101555 (2024)上。

论文链接：

Transport and electronic structure properties of MBE grown Sn doped Ga2O3 homo-epitaxial films

Materials Today Physics 48, 101555 (2024)

来源：宽禁带联盟