山东大学成功研制高质量4英寸氧化镓晶体

　　近日，山东大学陶绪堂教授团队使用导模法(EFG)成功制备了外形完整的4英寸(001)主面氧化镓( β -Ga2O3)单晶，并对其性能进行了分析。劳厄测试衍射斑点清晰、对称，说明晶体具有良好的单晶性，无孪晶；X射线衍射摇摆曲线显示晶体(400)面半峰全宽仅为57.57″，结晶质量较高；湿法化学腐蚀测试结果表明，晶体位错密度为1.06×104 cm-2； C-V 测试确认 β -Ga2O3晶体中载流子浓度为7.77×1016 cm-3。测试结果表明，该团队通过导模法获得了高质量的4英寸 β -Ga2O3单晶。相关内容以＂4英寸氧化镓单晶生长与性能研究＂为题已在《人工晶体学报》网络首发（DOI：10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20220831.001.）。该成果是继2019年团队获得4英寸(100)主面单晶后的又一新突破。
　　图1 4英寸 β -Ga2O3晶体
　　图2  β -Ga2O3单晶(010)面劳厄衍射图
　　图3  β -Ga2O3单晶摇摆曲线
　　此外，团队通过优化提拉法晶体生长工艺，在原有1英寸晶体基础上，成功放大到2英寸，晶体外形规整、无裂纹，晶体质量较高。晶体生长尺寸与德国IKZ及美国空军实验室相当，达到国际先进水平。
　　图4 提拉法生长2英寸氧化镓柱状单晶
　　山东大学晶体材料国家重点实验室在国内最早开展导模法氧化镓单晶生长，经过长期潜心攻关，从零开始，先后突破了1~4英寸氧化镓单晶生长、缺陷、掺杂、加工等关键核心技术。通过导模法、提拉法等多种晶体生长方法，生长出n型导电及半绝缘氧化镓晶体并开展了系统的晶体加工和缺陷研究，为打破国外技术封锁和产品禁运奠定了基础。
　　β -Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，可用于制备功率器件、紫外探测器、高能射线探测器，同时也可作为GaN、ZnO等半导体的衬底材料使用。由于超高的击穿场强和巴利加优值， β -Ga2O3功率器件具有耐压高、导通损耗低、开关速度快的优点。目前， β -Ga2O3二极管及场效应晶体管器件耐压均可达几千伏，器件击穿场强已超过SiC和GaN的理论极限。
　　由于 β -Ga2O3禁带宽度为4.8 eV，吸收截止边位于260 nm处，紫外透过率可达80%以上，并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。因此， β -Ga2O3晶体自身便满足＂日盲＂光电器件的需求，避免了目前常用氮化物需要合金化等复杂问题。 β -Ga2O3晶体因其卓越的材料性能，在深紫外光电探测以及超高压功率器件方面具有重要的应用，也是最近美国等西方国家对我国实施禁运的关键材料。
　　来源：山东大学晶体材料国家重点实验室供稿/图
　　作者：穆文祥/贾志泰/陶绪堂 （山东大学，晶体材料国家重点实验室，新一代半导体材料研究院；晶体材料研究院）