由復(fù)旦大學(xué)及蘇州納米所的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 發(fā)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(shù)生長的高質(zhì)量 β-Ga₂O₃/AlN 肖特基勢壘二極管的能帶排列、熱傳導(dǎo)特性和電學(xué)性能）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到了中國國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFB4606300）、國家自然科學(xué)基金（No. 62474049）、上海市科學(xué)技術(shù)委員會科技創(chuàng)新計(jì)劃（No. 21DZ1100800、23ZR1405300、20501110700 和 20501110702）以及長三角科技創(chuàng)新共同體聯(lián)合研究計(jì)劃（No. 2023CSJG0600）的支持。昊遠(yuǎn)精測光電科技（上海）有限公司為該項(xiàng)研究提供了 Autinst PIONEER-ONE TDTR 系統(tǒng)進(jìn)行熱學(xué)測試及技術(shù)支持。樣品制備在復(fù)旦大學(xué)工研院、復(fù)旦大學(xué)微納加工和器件公共實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體，β相氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其優(yōu)異的物理特性（如寬帶隙 4.5-4.9 eV，高擊穿場強(qiáng) ~8 MV/cm，更低生產(chǎn)成本）在超高壓高功率電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注。但是，β-Ga₂O₃ 極低的晶格熱導(dǎo)率（<27 W/mK）會導(dǎo)致器件嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，影響器件的可靠性和電學(xué)性能。將 β-Ga₂O₃ 與高熱導(dǎo)率襯底（如金剛石、SiC、AlN、h-BN等）異質(zhì)集成是優(yōu)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(dǎo)體（帶隙 ~6.2 eV），具有高擊穿場強(qiáng)（~15 MV/cm）和高熱導(dǎo)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(zhì)量外延生長。理論預(yù)測 β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)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(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）是制備高質(zhì)量 β-Ga₂O₃ 薄膜和 β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)及其能帶結(jié)構(gòu)，但對其熱輸運(yùn)性質(zhì)和基于此異質(zhì)結(jié)的肖特基勢壘二極管（SBD）的系統(tǒng)研究尚不充分。

3. 主要內(nèi)容

β 相氧化鎵（β-Ga₂O₃）/氮化鋁（AlN）異質(zhì)結(jié)在高功率和微波器件應(yīng)用方面具有巨大潛力。在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法生長制備 β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的結(jié)晶質(zhì)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(zhì)結(jié)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(xué)成分，并證實(shí)了異質(zhì)結(jié)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(dǎo)率為 4.2 W/(m·K)， β-Ga₂O₃/AlN 的界面熱導(dǎo)率為 118.6  MW/(m²·K)。Keithley 4200A-S 和 Keysight 1505B 的電學(xué)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(shù)以及 1260 V 的高擊穿電壓。所有這些值在基于 β-Ga₂O₃ 的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中都具有競爭力。研究成果展現(xiàn)了 β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)的出色界面質(zhì)量、卓越的散熱能力和良好的器件電學(xué)性能，為開發(fā)高溫高壓 β-Ga₂O₃ 功率器件提供了參考。

4. 總結(jié)

通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法成功生長高質(zhì)量的 β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)。研究人員深入分析了異質(zhì)結(jié)的物理和光學(xué)特性、能帶排列、傳熱特性和器件電學(xué)性能。異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)晶質(zhì)量、3.6 nm 的低表面粗糙度和良好的界面質(zhì)量。XPS 光譜證實(shí)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(dǎo)率為 4.2 W/（m·K），β-Ga₂O₃/AlN 的界面熱導(dǎo)率為 118.6 MW/（m²·K），這表明與 AlN 異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)了高效散熱。電學(xué)測量結(jié)果表明，β-Ga₂O₃/AlN 肖特基勢壘二極管具有 0.1 V 的低導(dǎo)通電壓、4.22 的理想因子、48.5 A/cm² K² 的修正理查森常數(shù)以及高溫下超過 1.2 kV 的高擊穿電壓等優(yōu)異性能。

這些研究結(jié)果表明，β-Ga₂O₃/AlN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望成為一種創(chuàng)新解決方案，用于需要加強(qiáng)熱管理的功率器件，尤其是在高溫環(huán)境下。這些成果為開發(fā)性能和可靠性更高的先進(jìn)功率器件打開了大門。未來的研究重點(diǎn)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(dǎo)通電阻、理查森常數(shù)和勢壘不均勻性，同時還能保持較高的散熱能力和優(yōu)異的擊穿特性。該器件在功率和射頻電子學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用也備受關(guān)注。

5. 圖文示例

圖 1. (a) β-Ga₂O₃、AlN 和藍(lán)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(zhì)結(jié)構(gòu)的拉曼光譜。(f) AlN/藍(lán)寶石和 β-Ga₂O₃/AlN/ 藍(lán)寶石異質(zhì)結(jié)構(gòu)的 SE 實(shí)驗(yàn)。

圖 2：（a-c）AlN/藍(lán)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號