超宽禁带半导体材料与器件研究进展
2025/1/3 16:04:40 材料来源：ACT化合物半导体
作者：何云龙，陆小力，孙静，张金风，郑雪峰，马佩军，马晓华，郝跃
（宽禁带半导体国家工程研究中心，西安电子科技大学，陕西省西安市 710071）
摘要：以氧化镓、金刚石和氮化铝为代表的超宽禁带半导体是继硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅之后的第四代半导体材料，已被公认是推动微电子技术继续高速发展的关键技术，成为世界各国竞争的技术制高点。超宽禁带半导体具有大功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是新一代大功率集成电路、电力电子功率器件、短波长光电器件与探测器件的理想材料。本文通过结合国际国内最新研究进展，概述了氧化镓，金刚石，氮化铝这三种超宽禁带半导体材料与器件的相关研究，并以此对未来进行了展望。
引言
以氮化镓、碳化硅为代表的第三代宽禁带半导体，已经在射频电子、电力电子和光电子领域得到了广泛应用，但是仍然存在一些问题有待解决。如氮化镓（GaN）单晶衬底尺寸小、器件动态特性差、缺陷界面机制不明晰等；碳化硅（SiC）仍存在材料成本高、加工难度大等技术困难。随着新能源、光伏产业的快速崛起，输出功率大、能量损耗低的电路系统成为未来发展趋势，而GaN与SiC略显疲态。因此，开发氧化镓（Ga2O3）、金刚石（Diamond）和氮化铝（AlN）为代表的超宽禁带半导体受到了产业界和学术界的广泛关注，并取得了一定进展。
超宽禁带半导体具有比GaN、SiC更高的禁带宽度，因此具有更高的击穿电场，可以保障器件具有更大的功率密度，同时具有高效、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，是新一代大功率微波器件与集成电路、电力电子功率器件、短波长光电器件与探测器件的理想材料。巴利加优值（BFOM）是评判功率器件在大功率领域应用潜力的重要指标，如图1所示，氧化镓、金刚石和氮化铝的巴利加优值分别是GaN材料的4倍、29倍和22倍，是SiC材料的10倍、74倍和56倍。以上结果表明，超宽禁带半导体在电力电子领域和射频功率领域均具有巨大的应用潜力。近年来，不论在材料生长还是器件制备方面均取得了一系列突破。
本文结合国际国内最新研究进展，概述了氧化镓，金刚石，氮化铝这三种超宽禁带半导体材料与器件的相关研究，并给出了未来发展趋势，希望为该领域的研究者提供有价值的参考信息。
△ 图1. 半导体材料的物理特性
1. 氧化镓材料与器件研究进展
1.1 氧化镓材料
Ga2O3材料具有超宽的禁带宽度（约4.8~4.9 eV）和超高临界击穿场强（约8 MV/cm）。Ga2O3具有五种同分异构体，而β-Ga2O3在大气压下是热力学最稳定的相，其他的相则都属于亚稳态相，在一定的温度和湿度条件下都可以转变为β-Ga2O3，因此，目前的主流研究均集中于 β-Ga2O3。与GaN基器件和SiC基器件相比，β-Ga2O3基器件理论上在相同耐压情况下，导通电阻更低、功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗，因此β-Ga2O3在大功率应用中极具潜力。目前日本的NCT公司采用垂直布里奇曼法成功制备出六英寸（100）向单晶衬底，国内的镓仁半导体也通过铸造法实现了六英寸单晶衬底的生长。由此可见，氧化镓的单晶衬底在价格成本上具有先天优势。
β-Ga2O3的材料外延技术主要有氢化物气相外延（HVPE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）等几种主流生长方式。其中，HVPE生长速率快、低浓度掺杂可调等优势在目前的市场占有率很高。而MOCVD外延生长方法不仅可以进行大尺寸外延，同时可以兼顾生长速率，将成为未来氧化镓外延材料市场化的主力军。目前，β-Ga2O3外延工艺可以被分为同质外延与异质外延。同质外延又分为（100）、（010）、（001）、（-201）等四种晶体取向，异质外延的衬底则多为蓝宝石，其主流应用方向为光电探测、辐射探测等。
研究者在同质外延方面的工作很多，并取得了一定的进展。以（-201）晶向为例，2020年，吉林大学利用MOCVD技术制备了高质量的β-Ga2O3同质外延薄膜，其XRD摇摆曲线的FWHM为21.6 arcsec，均方根（RMS）粗糙度低至0.68 nm[1]。2024年，西安电子科技大学采用脉冲In辅助技术，得到了表面粗糙度为0.98 nm，摇摆曲线半高宽为30.42 arcsec的高质量外延薄膜，如图2（a）所示[2]。在异质外延技术方面，2023年，西安电子科技大学采用脉冲In辅助技术实现了高质量的蓝宝石衬底异质外延薄膜。（-201）晶面取向的半高宽达到2700 arcsec，表面粗糙度为5.1 nm[3]。2024年，中国科学院半导体所采用两步法在蓝宝石衬底上实现摇摆曲线半高宽低至0.66°，表面粗糙度为6.8 nm的外延薄膜，并以此制备了光电探测器件，光暗电流比高达1015 Jones[4]，如图2（b）所示。
△ 图2. AFM测量的薄膜粗糙度示意图（a）（-201）β-Ga2O3同质外延薄膜，（b）蓝宝石衬底上Ga2O3薄膜
1.2 氧化镓器件
1.2.1 氧化镓二极管
受限于目前的材料结构，氧化镓功率二极管主要以垂直型器件为主，其研究点主要集中于提升器件的BFOM值，从而接近其材料的理论极限。另一方面，针对氧化镓功率二极管开启电压较大的问题，研究者也做了一部分工作降低其开启电压从而减少导通损耗。
为了实现更高的BFOM值以接近其材料理论极限，2024年，美国佛罗里达大学采用双层边缘介质终端技术，实现了BFOM值为15.2 GW/cm2的功率二极管，其BFOM值是目前已报道结果最高值[5]。早在2022年，西安电子科技大学借助双层浓度的NiOx制造出复合终端结构二极管，实现了13.2GW/cm2的BFOM值，其击穿场强达到6.4 MV/cm，导通电阻为5.24 mΩ·cm2[6]，如图3（a）所示。
为了实现更低的开启电压，2023年，美国空军研究实验室制造出垂直Pt/TiO2/β-Ga2O3金属介电半导体（MDS）二极管，由于极化效应MDS二极管实现了0.59 V的开启电压[7]。同年，西安电子科技大学创新开发了N2O等离子体技术处理阳极区域，通过形成Ga-N键使二极管的开启电压降低至0.6 V[8]，如图3（b）所示。
△ 图3. （a）复合终端的异质结二极管及Benchmark图，（b）N2O等离子体处理二极管及IV曲线
此外，氧化镓二极管也成为目前最具实现产业化潜力的功率器件，逐渐成为研究的热点。2022年，日本NCT公司结合场板技术，在12 μm的漂移层上制造出边长为1.7 mm的大电流二极管，器件正向电流达到了2 A@2 V，导通电阻为17.1 mΩ·cm2，反向击穿电压为1200 V，BFOM值为 84 MW/cm2[9]。同年，西安电子科技大学设计了一种异质结终端的二极管，器件直径为620 μm，器件的正向电流达到了7.13 A@4.9 V，导通电阻为6.76 mΩ·cm2，反向击穿电压为1260 V，BFOM值为234 MW/cm2[10]。
1.2.2 氧化镓晶体管
在氧化镓晶体管的研究领域，研究人员深入且广泛地探讨了多个关键问题，其中主要的研究点依然聚焦于提升器件的BFOM值以接近其材料理论极限，其次，为了实现未来的系统级应用，实现增强型器件也不能被忽视。
在提升器件BFOM值方面，2022年，美国犹他大学制作了Fin形三沟道β-Ga2O3 MESFET，该器件的导通电阻为 5.1 mΩ·cm2，BFOM值为 0.95 GW/cm2[11]。西安电子科技大学在同年制作了凹槽PN异质结栅结构晶体管，器件的导通电阻为6.24 mΩ·cm2，BFOM值为0.74 GW/cm2，达到国际先进水平[12]。
出于系统应用层面的考量，研制高性能的增强型Ga2O3基晶体管至关重要。目前主流的增强型器件制作方式包括凹槽栅，异质结栅以及鳍式（Fin）栅结构等。2018年，美国空军实验室利用凹槽栅结构并通过原子层沉积（ALD）SiO2作为栅介质，实现了阈值电压为2V的增强型器件，其导通电阻为215Ω·mm，击穿电压为505 V[13]。2022年，电子科技大学团队采用凹槽异质结栅结构，实现了增强型Ga2O3晶体管，器件的导通电阻为15.1 mΩ·cm2，击穿电压为980 V，BFOM为63 MW/cm2[14]。2023年，西安电子科技大学制作了Ga2O3/NiOx异质结栅和肖特基复合栅结构晶体管，其阈值电压为3.3 V，击穿电压达到2160 V，导通电阻为6.35 mΩ·cm2，BFOM值达到0.73 GW/cm2，是已报道氧化镓增强型器件中的最高值[15]，如图4所示。
此外，由于较高的临界击穿场强和低串联电阻，氧化镓依然具有可观的约翰逊优值（JFOM），因此在射频功率领域也有一定的应用前景，众多学者开始了对氧化镓射频晶体管的研制。2021年，美国布法罗大学研制出增强型(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3异质结构晶体管，该器件的fT，fMAX分别为30、37 GHz，fT·LG达到4.8 GHz·μm[16]。2023年，西安电子科技大学将Ga2O3沟道材料转移到SiC衬底上，并结合T型栅结构制作了晶体管，该器件的fT，fMAX分别为27.6、57 GHz，fT·LG为5 GHz·μm，为目前国际报道的最高值[17]，如图4所示。
△ 图4. （a）异质结-肖特基复合栅结构晶体管及其Benchmark图,（b）T型栅结构的β-Ga2O3 MOSFET及其小信号特性曲线
2. 金刚石材料与器件研究进展
2.1 金刚石材料
金刚石具有禁带宽度大、击穿场强高、载流子迁移率和饱和速度高的优势，并且具有自然界最高的热导率，从半导体的各种品质因数来看，金刚石材料拥有巨大的应用潜力，有望将电子元器件推向新的功率极限。同时，金刚石还拥有超强的抗辐照能力、极好的电绝缘特性和快响应特性，有望成为下一代脉冲强辐射场探测器的理想材料。此外，金刚石还可作为高性能热沉衬底，从芯片级散热的层面促使大功率器件和芯片小型化，在提升电路和系统的性能与寿命方面具有重要应用价值。
目前，单晶金刚石制备主要有高温高压（HPHT）合成方法和化学气相沉积法（CVD）。HPHT合成单晶金刚石是一种模拟自然界中金刚石形成条件的技术，它在科学研究和工业应用中具有重要地位。2015年，吉林大学设计了新型立方高压设备，提升了合成金刚石的质量，如图5所示[18]。但HPHT法制备单晶金刚石的尺寸受到严重限制，无法更进一步突破。
△ 图5. 高温高压法合成单晶金刚石
CVD制备单晶金刚石体材料或者薄膜的主流方法主要包括微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）和热丝化学气相沉积法（HFCVD）。MPCVD法制备金刚石薄膜技术经过40余年发展，逐渐走向成熟稳定，成为制备金刚石的主流方式。2014年，日本AIST采用马赛克拼接技术，将24个10 mm×10 mm“克隆”基片拼接成一个5.08 cm的马赛克金刚石晶圆，实现了英寸级单晶金刚石[19]。2018年，西安电子科技大学采用MPCVD系统在种子最大边对边宽度为7.5毫米的基础上，得到了两边宽度约为10毫米的同质外延单晶[20]。2019年，西安电子科技大学利用MPCVD系统实现了7个SCD样品的同时扩大生长，并且进一步扩大到14个SCD样品的同时生长[21]。
在外延生长研究方面，2015年，北京科技大学开展了Ir衬底上异质外延形核研究，外延形核密度达到108～109cm-2[22]。目前最大尺寸（直径~90毫米）单晶是德国奥格斯堡大学在2017年在Ir YSZ/Si（001）复合衬底上获得的，其生长时间120 h、厚度为1.6 mm、摇摆曲线（004）半高宽FWHM达到0.064°[23]。西安电子科技大学在2020年优化MPCVD生长方式，实现了高纯外延材料生长，材料的XRD（004）面摇摆曲线半高宽仅为46.3 arcsec[24]。
2.2 金刚石器件
2.2.1 金刚石功率器件
金刚石功率器件分为功率二极管与功率晶体管。在功率二极管方面，由于金刚石的n型掺杂技术尚未成熟，金刚石基肖特基二极管主要通过p型金刚石和金属形成肖特基结实现。从结构上可分为垂直型、准垂直型和横向型。2021年，日本产业技术综合研究所通过插入含有金属钨的缓冲层制备了准垂直肖特基势垒二极管。在±8 V电压下，整流比超过8个数量级，器件击穿电压为375 V[25]。
由于其材料的固有属性，金刚石功率晶体管通常为耗尽型器件。2022年，日本佐贺大学制备了Al2O3为介质层的MOSFET，该器件最大漏极电流密度可达-0.68 A/mm，最大有效迁移率为205 cm2/（V·s），比导通电阻为7.54 mΩ·cm2。器件的击穿电压达到2568 V，BFOM值为874.6 MW·cm-2，是目前金刚石功率晶体管最高值[26]。而要想实现增强型器件需要克服更多的技术难题，这也是当前金刚石功率晶体管研究中的热点。关于金刚石增强型器件的主流实现方式包括退火或紫外臭氧处理；利用低功函数栅极材料；耗尽2DHG沟道；氮离子注入等。2022年，西安电子科技大学利用Al/BaF2栅极材料实现了高性能常关氢化金刚石MIS-FET，器件的阈值电压为-0.90 V，最大跨导和最大饱和电流分别为30 mS/mm和-96.5 mA/mm[27]。2023年，西安交通大学利用电子束蒸发的方式在栅下沉积了30nm厚的CeB6，成功实现了阈值电压为-0.46V金刚石增强型器件。最大电流密度为-83.8 mA/mm[28]。
2.2.2 金刚石辐射探测器
由于金刚石优良的抗辐射特性及温度稳定性，其在辐射探测领域有着良好的应用前景。金刚石辐射探测器以匀质体电导型（无结型）结构为主流结构。这种结构对金刚石材料在核辐射后产生的载流子的收集特性提出了极高的要求，在电学特性上表现为载流子输运特性好、复合中心和陷阱少、载流子复合寿命长，这些特性决定了金刚石辐射探测器的电荷收集效率、能量分辨率等指标和长期探测性能的稳定性。目前金刚石辐射探测器的电荷收集效率可达90%以上（甚至100%），对α粒子和中子的能量分辨率最好结果分别为0.4%与1.5%。对γ射线/中子/质子/重离子等的探测则进一步证明了金刚石的抗辐照特性，在经受1015质子/cm2、250 Mrad光子辐照以及3×1015中子/cm2辐照后，金刚石探测性能只有轻微的变化。
2020年，西安电子科技大学提出了一种新型金刚石探测器，该器件在1 V/μm的电场下，暗电流非常低仅为7.46×10-13 A/mm2。在α粒子的辐照下，探测器的CCE为电子（98.6%）和空穴（99.01%），以及能量分辨率为1.04%与0.76%。同时，探测器具有超快的时间响应，仅为347.4 ps[29]，如图6所示。
△ 图6. 金刚石辐射探测器及其IV曲线
3. 氮化铝材料与器件研究进展
3.1 氮化铝材料
氮化铝（AlN）是典型的Ⅲ-V族化合物，有着优异的物理化学性质如高热稳定性（熔点2100 ℃）、高热导率[2W/(cm·K)]、高化学稳定性等。AIN还具有良好的压电和介电性能，因此在能量转换、声波和MEMS等器件上具有很大的应用价值，已被用于微机电系统。针对于AlN材料的研究主要集中在AlN晶体生长与AlN薄膜外延两个方面。其中，AlN晶体生长主要是采用PVT法进行自籽晶与异质籽晶生长。AlN薄膜外延主要采用MOCVD、ALD等方法在蓝宝石或4H-SiC衬底上进行异质外延生长。
国内外有许多团队对AlN材料开展了研究并取得了一定成果。在AlN晶体生长方面，北京大学结合有效的Al原子输运控制方法，实现了直径超过62 mm的AlN晶体和直径超过50 mm的AlN单晶衬底。在AlN薄膜外延方面，该团队提出了一种基于纳米图形化AlN/蓝宝石模板的“可控离散和可控聚合”侧向外延方法（NPATs），使蓝宝石衬底上AlN薄膜的位错腐蚀坑密度降低至104 cm-2量级[30]。与此同时，西安电子科技大学提出了扩散吸附调节外延生长法，获得了3×3 cm2的柔性AlN薄膜，且RMS为0.748 nm，如图7 所示。此外，该团队还通过应变工程连续调控柔性AlN材料的带隙，将带隙降低到4.8 eV，并使响应度提高161%，时间响应速度加快31%，并降低了暗电流[31]。此外，AlN还可以通过ALD方式生长，起到栅介质的作用。2015年，西安电子科技大学用PEALD生长AlN栅介质，与AlGaN/GaN结合形成MIS-HEMT器件，器件的跨导峰值为289 mS/mm，同时还显著改善了栅界面特性，界面电荷降低至3.1×1011cm−2[32]。
△ 图7. AlN薄膜及其显微、拉曼特性
3.2 氮化铝器件
针对AlN器件的研究主要集中于二极管、MESFET、光电探测器等。其中，AlN基二极管表现出较好的特性而受到广泛研究。2023年，亚利桑那州立大学首次在AlN衬底上实现了击穿电压达到3 kV的AlN肖特基二极管，泄漏电流仅为200 nA[33]。2024年，名古屋大学采用分布式极化掺杂方法在AlN衬底上制备了AlGaN p-n垂直二极管，如图8（a）所示，击穿场强达到7.3 MV/cm，实现了6.5 V的开启电压和3 mΩ·cm2的导通电阻，为目前所报道的AlN基p-n二极管最小值[34]。同年，西安电子科技大学实现了高性能AlN/GaN双势垒共振隧穿二极管，其峰值电流达到了创纪录的1551 kA/cm2，峰谷电流比为1.24[35]，如图8（b）所示。
△ 图8. （a）p-n二极管的横截面图及IV特性曲线，（b）AlN/GaN双势垒共振隧穿二极管及其IV特性曲线
此外，由于AlN具有很高的极化效应，因此，AlN/GaN异质结中的沟道电子面密度极高，适合制作射频器件，其较高的欧姆接触电阻通常用二次外延的方法来解决。2022年，西安电子科技大学提出了远程等离子体氧化处理的低损伤增强型AlN/GaN HEMT，阈值电压为0.4 V，最大电流达到了1.06 A/mm[36]。2023年，北京大学报道了70 nm栅长的AlN/GaN HEMT，欧姆接触电阻低至0.09 Ω·mm，fT/fmax达到140/301 GHz，饱和电流密度达到1.54 A/mm[37]。
4. 总结与展望
本文参考了超宽禁带半导体的学术和产业界动态，并根据国家工程研究中心多年在该领域的深入研究，简单概述了超宽禁带半导体材料、器件及相关技术的阶段性关键进展。
Yole Intelligence在《Status of the Power Electronics Industry Report》中预计，到2028年，全球功率器件市场将增至333亿美元，推动着宽禁带半导体领域的高速发展，但现有的GaN和SiC体系难以满足日益增长的军用及民用技术要求，作为超宽禁带半导体，Ga2O3能够实现n型电子结构的精确调制、金刚石具有室温下最高的热导率，而AlN具有极宽的带隙和较好的极化特性，这些优异的特性使得其在高压、高频、高温和大功率电子器件等领域具有广阔的应用前景，在更高功率、频率和效率的同时，低成本和小体积产品的实现成为可能。
近十年，世界范围特别是国内对超宽禁带半导体的研究变得更加活跃，不同技术制备的四英寸AlN、金刚石和六英寸Ga2O3衬底相继被报道，Ga2O3和金刚石MOSFET及AlN基HEMT出色的器件性能也有望在电力电子及射频功率领域应用，Ga2O3基日盲探测器、金刚石基辐照探测器和光导开关、AlN基LED等也在光电子、辐射领域取得了突破进展。这些喜人的成果更加证明了超宽禁带半导体的发展潜力。但是，由于相关理论与技术的不成熟，超宽禁带半导体材料与器件仍存在很多问题有待解决。此外，与相对较为成熟的SiC、GaN相比，以Ga2O3、金刚石和AlN为代表的超宽禁带半导体产业化应用刚刚开始。下一个十年，相信在国内外同行的共同努力下，超宽禁带半导体理论和技术将得到跨越式发展，商业产品快速投放并在市场中实现广泛应用，它们将通过更高的工作效率和更低的功率损耗来节省能源，同时改变人们的工作与生活。
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