由復旦大學及蘇州納米所的研究團隊在學術期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 發布了一篇名為 Band Alignment, Thermal Transport Property, and Electrical Performance of High-Quality β-Ga₂O₃/AlN Schottky Barrier Diode Grown via MOCVD（通過 MOCVD 技術生長的高質量 β-Ga₂O₃/AlN 肖特基勢壘二極管的能帶排列、熱傳導特性和電學性能）的文章。

1. 項目支持

本研究得到了中國國家重點研發計劃（2023YFB4606300）、國家自然科學基金（No. 62474049）、上海市科學技術委員會科技創新計劃（No. 21DZ1100800、23ZR1405300、20501110700 和 20501110702）以及長三角科技創新共同體聯合研究計劃（No. 2023CSJG0600）的支持。昊遠精測光電科技（上海）有限公司為該項研究提供了 Autinst PIONEER-ONE TDTR 系統進行熱學測試及技術支持。樣品制備在復旦大學工研院、復旦大學微納加工和器件公共實驗室和中科院蘇州納米所納米加工平臺共同完成。

2. 背景

作為超寬禁帶半導體，β相氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其優異的物理特性（如寬帶隙 4.5-4.9 eV，高擊穿場強 ~8 MV/cm，更低生產成本）在超高壓高功率電子器件領域備受關注。但是，β-Ga₂O₃ 極低的晶格熱導率（<27 W/mK）會導致器件嚴重的自熱效應，影響器件的可靠性和電學性能。將 β-Ga₂O₃ 與高熱導率襯底（如金剛石、SiC、AlN、h-BN等）異質集成是優化散熱能力的有效途徑。氮化鋁（AlN）本身也是一種超寬禁帶半導體（帶隙 ~6.2 eV），具有高擊穿場強（~15 MV/cm）和高熱導率（>300 W/m·K）。(-201) 取向的 β-Ga₂O₃ 與 (0001) 取向的 AlN 之間晶格失配較?。▇2.4%），有利于高質量外延生長。理論預測 β-Ga₂O₃/AlN 異質結具有高二維電子氣（2DEG）密度，適用于高電子遷移率晶體管（HEMTs）。金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）是制備高質量 β-Ga₂O₃ 薄膜和 β-Ga₂O₃/AlN 異質結的常用且具有成本效益的方法。已有研究涉及 MOCVD 生長 Ga₂O₃/AlN 異質結及其能帶結構，但對其熱輸運性質和基于此異質結的肖特基勢壘二極管（SBD）的系統研究尚不充分。

3. 主要內容

β 相氧化鎵（β-Ga₂O₃）/氮化鋁（AlN）異質結在高功率和微波器件應用方面具有巨大潛力。在本研究中，研究團隊通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）方法生長制備 β-Ga₂O₃/AlN 異質結及其肖特基二極管。高分辨率 X 射線衍射（HRXRD）和拉曼光譜揭示了異質結的晶體結構，發現異質結的結晶質量很高。原子力顯微鏡（AFM）掃描顯示 β-Ga₂O₃ 表面光滑，均方根（RMS）粗糙度為 3.6 nm。掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示表面平坦，異質結邊界清晰。通過使用能量色散光譜（EDS）繪制了界面處的元素分布。X 射線光電子能譜（XPS）分析表征了樣品的化學成分，并證實了異質結中存在有利于電子積累的 II 型能帶排列。此外，通過時域熱反射（TDTR）法確定了β-Ga₂O₃ 的熱導率為 4.2 W/(m·K)， β-Ga₂O₃/AlN 的界面熱導率為 118.6  MW/(m²·K)。Keithley 4200A-S 和 Keysight 1505B 的電學測試獲得了 β-Ga₂O₃/AlN SBD 的直流特性和擊穿特性，包括 0.1 V的低開啟電壓、4.22 的理想因子、48.5 A/cm² K² 的修正理查森常數以及 1260 V 的高擊穿電壓。所有這些值在基于 β-Ga₂O₃ 的異質結構中都具有競爭力。研究成果展現了 β-Ga₂O₃/AlN 異質結的出色界面質量、卓越的散熱能力和良好的器件電學性能，為開發高溫高壓 β-Ga₂O₃ 功率器件提供了參考。

4. 總結

通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法成功生長高質量的 β-Ga₂O₃/AlN 異質結構。研究人員深入分析了異質結的物理和光學特性、能帶排列、傳熱特性和器件電學性能。異質結構具有較高的結晶質量、3.6 nm 的低表面粗糙度和良好的界面質量。XPS 光譜證實了樣品中存在不同的成分，揭示了 β-Ga₂O₃/AlN 界面的 II 型能帶偏移。TDTR 測得 β-Ga₂O₃ 的熱導率為 4.2 W/（m·K），β-Ga₂O₃/AlN 的界面熱導率為 118.6 MW/（m²·K），這表明與 AlN 異質集成實現了高效散熱。電學測量結果表明，β-Ga₂O₃/AlN 肖特基勢壘二極管具有 0.1 V 的低導通電壓、4.22 的理想因子、48.5 A/cm² K² 的修正理查森常數以及高溫下超過 1.2 kV 的高擊穿電壓等優異性能。

這些研究結果表明，β-Ga₂O₃/AlN 異質結構有望成為一種創新解決方案，用于需要加強熱管理的功率器件，尤其是在高溫環境下。這些成果為開發性能和可靠性更高的先進功率器件打開了大門。未來的研究重點是制造一種新型的 β-Ga₂O₃/AlN 功率器件，這種器件具有更低的導通電阻、理查森常數和勢壘不均勻性，同時還能保持較高的散熱能力和優異的擊穿特性。該器件在功率和射頻電子學中的實際應用也備受關注。

5. 圖文示例

圖 1. (a) β-Ga₂O₃、AlN 和藍寶石峰的 XRD 2θ/ω 掃描。(b、c）（-402）β-Ga₂O₃ 峰和 (002) AlN 峰的 FWHM 值。(d) (-402) β-Ga₂O₃ 峰的搖擺曲線。(e) β-Ga₂O₃/AlN 異質結構的拉曼光譜。(f) AlN/藍寶石和 β-Ga₂O₃/AlN/ 藍寶石異質結構的 SE 實驗。

圖 2：（a-c）AlN/藍寶石襯底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的二維和三維原子力顯微鏡圖像以及高度輪廓。(d）β-Ga₂O₃/AlN 異質結構的橫截面和（e）表面高分辨率 SEM 圖像。(f) 光譜 1 和光譜 2 的掃描區域。 (g-j) 不同元素（包括 Ga、N、Al 和 O）的 EDS 圖譜。

DOI：

doi.org/10.1021/acsami.5c04203

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號