半导体材料介绍

Ga2O3半导体介绍姓名:

刘琦导师:李培刚时间:2017.5.12目录1.Ga2O3的基本性质2.Ga2O3的制备工艺3.Ga2O3的应用前景Ga2O3的基本性质随着科技的发展，透明导电氧化物薄膜由于在发光二极管、激光器、平面显示和薄膜太阳能电池等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。近些年来，人们对于宽禁带半导体产生了极为浓厚的兴趣，因为带隙较宽的半导体材料能够发出更短波长的光，且在紫外光区域能够保持比较高的透明度，可以用来制造蓝光及紫外激光器和发光二极管等发光器件以及光探测器件等。如今已发现并制备出的蓝光材料包括GaN,ZnSe等，并利用这些材料制造出了高效率的蓝光激光器和发光二极管。

Ga2O3是一种具有直接带隙的宽禁带氧化物半导体材料，其禁带宽度约为4.9eV比GaN(Eg～3.4eV)的禁带宽度还要大，并且因为Ga2O3材料具有制备方法简单、便于批量生产以及稳定的物理化学特性等优点而成为一种非常有前途的紫外和蓝光材料。在多种Ga2O3材料的同分异构体中，β-Ga2O3最为稳定，也是Ga2O3材料目前应用和研究比较多的晶型。

β-Ga2O3

的晶体结构为阴离子密堆积结构，Ga有两种不同的位置，分别

被O氧原子包围构成正四面体和正八面体，O则有三种不同的位置。β-Ga2O3

往

往表现出本征n型半导体的特性，这是由于在β-Ga2O3

晶体结构中无论哪一个低

密勒指数晶面优先暴露，其表面上都会存在氧离子空位

上表列出了β-Ga2O3与主流半导体材料的基本物理性质，β-Ga2O3的摩尔质量为187.44g/mol，密度为5.88g/cm3，熔点为1740℃，激子束缚能为30-40meV，介电常数ε为10。β-Ga2O3的带隙相对较宽，具有光学各向异性的特点，沿着不同的晶面带隙会有所差别，变化范围为4.2-4.9eV，对应波长295-253nm，对紫外可见光区都具有很高的透过率。

Ga2O3的制备工艺跟其他半导体材料一样，氧化镓材料也存在多种形态(如：单晶、薄膜、纳米结构等)，获取的方式也不尽相同。早在1952年，就有关于氧化镓材料系统的报道，但过去半个世纪多以来并没有引起科研人员太多的关注。近年来，随着氧化镓单晶生长工艺的突破，大尺寸(2英寸)单晶衬底的获得促使了氧化镓的研究热潮，2015年11月3-6日首届氧化镓及其相关材料国际研讨会在日本京都大学召开，目前已经能成功地获得4英寸的β-Ga2O3以及α-Ga2O3单晶衬底。氧化镓单晶主要采用FloatingZone(FZ)、Czochralski和Edge-definedFilm-fedGrowth(EFG)法生长，利用现在已经成熟的制备超过8英寸直径的Al2O3单晶衬底的技术，科学家们预期更大尺寸的氧化镓单晶衬底同

样可以廉价并低耗能的进行量产。纳米结构如纳米线、纳米带、纳米片、纳米花等则主要通过MOCVD、气液固方法(VLS)、化学溶剂法等方法生长

磁控溅射法电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。优点：牢固致密、高速低温，广泛用于工业生产多晶薄膜缺点：靶刻蚀不均，高真空、设备较昂贵磁控溅射法原理图分子束外延法在高真空系统中相对地放置衬底和几个分子喷射炉，将欲组成化合物的各种元素和掺杂元素分别放入不同喷射炉内加热，是它们的分子(或原子)以一定的热运动速度和一定比例的束流强度喷射到加热的衬底表面，与表面产生相互作用，进行单晶薄膜的外延生长。溶胶-凝胶法原料分散在溶剂中，经水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，涂于衬底，烘干成膜。优点：设备简单，工艺温度低、可大面积制备，易制得均匀多组分氧化物膜缺点：陈化时间长，薄膜易开裂溶胶凝胶涂膜热处理薄膜溶胶-凝胶法示意图水热合成法在密封的压力容器(高压釜)中，水为溶剂，在高温高压的条件下进行的化学反应。优点：设备过程简单，反应条件易控制，反应速率快，产物纯度高，粒径易控制Ga2O3的应用前景由于Ga2O3是为数不多的在深紫外区域仍然是透明的宽带隙半导体氧化物，具有优良的化学和热稳定性，高温下其电阻率随环境变化敏感等特性，故在许多的领域得到了广泛的应用。气敏传感器β-Ga2O3可以制作氧气和其它一些还原性气体的探测器。β-Ga2O3在高温条件下(800-1000℃)温度范围内对氧气等还原气体较为敏感，在较低温度(550-700℃)条件下则对H2、CO和烷烃类还原性气体敏感，其电阻率随着氧气、还原性气体浓度的改变而改变，是一种良好的高温半导体气敏材料，如图所示。气敏特性起源于气体与氧化镓表面或体内的相互作用，引起了氧化镓材料电阻的显著变化。相对于其它气敏材料，β-Ga2O3具有高稳定性、对湿度的低敏感性、快速反应性、自我清洁功能、不易老化等诸多优点，可以制备火警报警器(O2气敏传感器)和多种气体的探测器。

发光二极管β-Ga2O3基板与Al2O3一样具有高的紫外-可见光透过率(高于80％)，LED芯片发出的光能高效率地提取到外部。但相比于Al2O3基板，β-Ga2O3晶体通过掺杂可以实现高的导电性，可以在LED芯片表面和背面分别形成阳极和阴极构成垂直结构。垂直结构相对于基于Al2O3基板的横向结构，不仅可以使驱动电流均匀地分布，而且可以大大降低元器件的电阻和热阻，降低LED芯片的发热量，可应用于需要大驱动电流的高功率LED。基于β-Ga2O3基板垂直结构的LED单位面积光输出功率可达到Al2O3基板横向结构产品的10倍以上。虽然SiC基板也可用于垂直结构的LED衬底，但其生长成本相对较高，而β-Ga2O3单晶则有望以更低成本来作为LED基板。场效应晶体管β-Ga2O3的带隙(～4.9eV)是Si的4倍多，也比SiC的3.3eV及GaN的3.4eV大很多(表1-1)。通常情况下，带隙越大，击穿电场强度也会越大(图1-19。而对于具有较大击穿电场强度的材料，其在功率元器件中的性能越好，根据一些已知的半导体带隙及相应的击穿电场强度对其进行拟合，可以推测β-Ga2O3具有较大的击穿电场强度，可达到8MV/cm，为商业化半导体Si的20倍以上，也比常