Ga2O3薄膜的外延生長、高遷移率調控及相關機理研究

《Ga2O3薄膜的外延生長、高遷移率調控及相關機理研究》是依託北京郵電大學，由吳真平擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：Ga2O3薄膜的外延生長、高遷移率調控及相關機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：吳真平
• 依託單位：北京郵電大學

項目摘要

Ga2O3是一種透明導電氧化物材料，在深紫外光電子，高頻、高功率器件等領域有著廣闊的套用前景，但非晶或多晶薄膜中存在的雜質、晶界和空位等結構缺陷導致載流子遷移率過低，從而制約了它的實際套用。已知的Ga2O3共有5種同分異構體，其中β-Ga2O3的結構最為穩定，且載流子的遷移率具有各向異性。本項目擬以β-Ga2O3薄膜界面微結構和遷移率調控作為研究目標，主要研究內容包括以下三個部分：1、雷射分子束外延法製備高質量β-Ga2O3外延薄膜，研究工藝參數對薄膜生長的影響規律；2、選擇不同晶格失配度的體系，研究界面微結構對外延取向，晶格應變和遷移率的調控規律；3、利用第一性原理，研究β-Ga2O3的物理性能，並結合實驗結果，系統分析界面微結構影響遷移率大小的物理機制，並為研發高遷移率的Ga2O3器件套用提供理論與技術基礎。

結題摘要

Ga2O3為直接帶隙的寬禁帶半導體材料，其禁頻寬度為4.2-5.3 eV，擊穿場強~8 MV/cm，是一種非常有前景的日盲深紫外及高功率半導體材料。本項目針對目前Ga2O3薄膜外延生長困難，且載流子遷移率偏低這一當前的熱點研究方向，一方面通過最佳化生長條件，掌握Ga2O3薄膜製備工藝對薄膜的原子排布、晶格應變、缺陷形成的影響規律。另一方面從實驗和理論上探索界面微結構調控薄膜載流子遷移率等物理特性的機制模型，為高遷移率的器件的研發提供參考。本項目按照研究計畫，圍繞Ga2O3薄膜的可控生長、遷移率調控及相關機理研究，積極開展研究工作。利用雷射分子束外延技術摸索了β-Ga2O3薄膜生長的條件，研究了不同沉積溫度、氧壓、雷射能量、脈衝頻率、襯底晶格、晶面取向、元素摻雜等對β-Ga2O3外延薄膜生長的影響，得出薄膜的最優生長條件以及生長規律。深入研究Ga2O3薄膜界面特性，建立了微觀結構和薄膜電、磁、光等物性的關聯模型。利用摻雜元素Mn3+/Mn2+和Sn4+/Sn2+價態轉變，有效地抑制了Ga2O3薄膜內部的氧缺陷滋生載流子，降低了薄膜中的散射中心，實現了在2個數量級範圍內對薄膜電導率和載流子遷移率的調控。利用過渡金屬元素Fe，Mn，Cr摻雜，實現一種非常有前景的室溫磁半導體薄膜。研究了稀土摻雜Ga2O3薄膜的光致發光特性，利用晶格應力對晶體場、自旋軌道耦合的影響，提出了原位和非原位應力調控從可見到近紅外光致發光特性。開展了Ga2O3/半導體異質結器件的研究，利用異質結內部的雪崩效應，在Ga2O3/Si異質結日盲紫外探測器中，將Ga2O3基異質結日盲紫外探測器回響度性能提升到370 A/W，器件整體性能已經接近單晶Ga2O3器件性能(1000 A/W)。並首次發現了Ga2O3的單極型阻變行為及反常雙極型阻變行為，加深了基於Ga2O3阻變存儲器的理解。通過本項目的研究，共發表SCI收錄論文28篇（含JCR分區1區論文5篇，2區論文18篇，ESI高引論文1篇），會議論文1篇，申請發明專利1項，培養研究生9名，其中博士生3名，碩士生6名。