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宽禁带半导体国家工程研究中心采用金属有机化学气相沉积原位脉冲铝原子辅助法生长的(001)β-Ga2O3外延层

作者: 集小微 03-28 15:23
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来源:宽禁带半导体教育部重点实验室 #氧化镓# #MOCVD# #宽禁带#
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近日,宽禁带半导体国家工程研究中心马晓华教授团队何云龙副教授、陆小力教授等人在Elsevier旗下权威期刊《Journal of Materiomics》发表题为“(001) β-Ga2O3 epitaxial layer grown with in-situ pulsed Al atom assisted method by MOCVD”的科研成果。该研究创新性提出了脉冲铝原子辅助生长技术,成功突破了氧化镓外延材料制备关键技术瓶颈,为新一代高功率电子器件研发奠定基础。

氧化镓作为超宽禁带半导体材料的代表,在超高压电力电子、深紫外探测等领域具有重要战略价值。然而,采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术制备(001)晶面β-Ga2O3外延层时,面临表面粗糙度高、界面缺陷密度大等难题,严重制约器件性能与可靠性。如何实现高平整度、低缺陷的薄膜外延生长,成为全球该领域的研究焦点。

团队研究人员针对上述挑战,创新性地提出了原位脉冲铝原子辅助生长方法。通过精确调控铝原子的脉冲注入时序与浓度,在外延生长过程中实现三重作用机制:定向成核,铝原子可作为优先成核位点,优化晶格排列取向;抑制副反应,有效抑制副产物的生成与解吸附,减少氧空位缺陷;界面重构,促进原子扩散,减弱随机岛状成核,显著改善外延层与衬底的界面质量。

图1 外延生长机理示意图

实验数据显示,新方法制备的外延层表面粗糙度(RMS)降低超过50%,X射线摇摆曲线半高宽(FWHM)低至45.2弧秒,氧空位缺陷密度下降达一个数量级。研究团队还首次观测到外延取向旋转现象,并提出了旋转角度与表面平整度的关联理论模型,为材料外延生长的精准调控提供了新的思路。

图2 HRTEM与SAED测试结果及原理

基于该技术制备的肖特基势垒二极管(SBD)展现出1.8 MV/cm的击穿场强,验证了高质量外延材料对器件性能的关键作用。该成果将有力支撑我国在超高压电力电子领域的自主创新,助力突破国外技术封锁。

图3 SBD的正向与反向IV特性

作为完全自主知识产权的原创性成果,研究团队已围绕脉冲铝原子辅助生长技术布局多项核心专利,覆盖关键工艺节点。目前,团队正与产业界合作推进技术转化,加速氧化镓材料在新能源汽车、智能电网等场景的应用,有望推动我国宽禁带半导体产业实现跨越式发展。

责编: 集小微
来源:宽禁带半导体教育部重点实验室 #氧化镓# #MOCVD# #宽禁带#
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