可应用于光电探测器！中国在这一技术领域再获重要进展

2022-12-19 17:29

在近日举行的世界顶级的半导体和电子器件技术论坛IEEE IEDM上，中科大国家示范性微电子学院龙世兵教授课题组两篇关于氧化镓器件的研究论文“高功率氧化镓肖特基二极管”和“氧化镓光电探测器”成功被大会接收。

其中，在氧化镓光电探测器方面，龙世兵教授团队通过引入额外的辅助光源实现对向光栅（OPG）调控方案，缓解了光电探测器响应度和响应速度两个指标之间存在的制约关系。

据介绍，OPG方案能有效抑制器件内严重的持续光电导效应，器件的响应速度明显提升，该方案下的Ga2O3／WSe2结型场效应晶体管探测器在目标光（深紫外）照射下表现出负向光栅效应（NPG），器件的阈值电压往负向移动；与之相反，辅助光源（可见光）照射使器件表现出正向光栅效应（PPG），器件的阈值电压往正向移动；在目标光及辅助光同时照射下，器件整合了正、负对向光栅效应，但总体表现为阈值电压朝负向移动。

同时，OPG调控方案中引入的辅助性可见光对器件的光／暗电流比和响应度等关键指标几乎不产生影响。最终，当OPG方案中的可见光常开，在仅牺牲10．4％的响应度的情况下即实现了＞1200倍响应速度的提升，成功削弱了响应度和响应速度之间的制约关系。当通过反馈电路控制辅助光源仅在器件响应的下降沿触发，将在无响应度牺牲的情况下实现响应速度的数量级提升，对光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义。

据悉，氧化镓（GaO）单晶材料，是继Si、SiC及GaN后的第四代宽禁带半导体材料，已知晶相共6种，包括α，β，γ等5种稳定相和1个瞬态相κ－GaO，其中β相为热力学稳定相。与SiC、GaN相比，氧化镓基功率器件具备高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特点。氧化镓因其基板制作相较于SiC与GaN更容易，又因为其超宽禁带的特性，材料所能承受更高电压的崩溃电压和临界电场，使其在超高功率元件之应用极具潜力。

氧化镓此前被用于光电领域的应用，直到2012年开始，全球 80％的研究单位都将研究方向转为功率器件领域应用。

从市场上看，氧化镓目前才刚从研发阶段进入最初的商业应用阶段，美国、日本、欧洲、韩国、中国大陆和中国台湾都正在开发氧化镓晶圆和器件，其中美国凯马科技（Kyma）、日本京都大学FLOSFIA和日本初创企业新晶科技（Novel Crystal）为市场领先者。

而在中国，目前国内GaO各个产业链环节非常薄弱，可用代工Foundry数量为零，外延企业和衬底企业已有几家，但规模很小且均尚未形成量产。中国台湾硅锭和硅片制造商和销售商 Atecom Technology 也经营氧化镓。在中国大陆，厦门博威先进材料（PAM－XIAMEN）正处于开发该技术的早期阶段。

在这一情况下，为推动国内氧化镓产业发展，中国科技部于今年将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，以中电科四十六所、山东大学、深圳进化半导体、中科院上海光机所、北京镓族科技、杭州富加镓业等单位为主力攻克氧化镓材料难题，让第四代半导体获得更广泛关注。

值得注意的是，5月10日，浙大杭州科创中心首次采用新技术路线成功制备2英寸（50．8 mm）的氧化镓晶圆，而使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际上为首次。

12月9日，北京铭镓半导体有限公司使用导模法成功制备了高质量 4 英寸（001）主面氧化镓（β－Ga2O3）单晶，完成了 4 英寸氧化镓晶圆衬底技术突破，并且进行了多次重复性实验，成为国内首个掌握第四代半导体氧化镓材料 4 英寸（001）相单晶衬底生长技术的产业化公司。该公司还在6月30日完成近亿元A轮融资，将主要用于氧化镓项目的扩产与研发，并预计在2023年底将建成国内首条集晶体生长、晶体加工、薄膜外延于一体的氧化镓完整产业线。

对于氧化镓的未来，中国科学院院士郝跃表示，氧化镓材料是最有可能在未来大放异彩的材料之一，在未来的10年左右，氧化镓器件有可能成为有竞争力的电力电子器件，会直接与碳化硅器件竞争。业内普遍认为，氧化镓有望替代碳化硅和氮化镓成为新一代半导体材料的代表。目前，各国的半导体企业都争先恐后布局，氧化镓正在逐渐成为半导体材料界一颗冉冉升起的新星。