β-Ga 2 O 3 单晶的生长、加工及性能研究

发布时间：2024-04-13 07:54

　　半导技术在现代信息化社会中发挥着不可替代的作用。随着科技的发展,人们对能在恶劣环境工作的高耐压、低损耗、高耐温、抗辐射的高性能电子器件与深紫外光电子器件的需求越来越迫切。目前,硅基功率半导体已经逐渐达到理论极限。以SiC、GaN等为代表的第三代宽禁带半导体材料及器件经过多年的发展,器件性能已经逐渐接近甚至超过硅基功率器件。然而,SiC、GaN体块单晶生长难度大、成本高,严重限制了其产业化应用的发展。因此,高性能、低成本的新型宽禁带半导体材料仍有待探索。β-Ga₂O₃禁带宽度可达4.7 eV,是一种新型的超宽禁带半导体材料。相比于第三代半导体,它具有禁带宽度更大、击穿场强更高、Baliga品质因子更大、吸收截止边更短、生长成本更低的优点,有望成为高压、大功率、低损耗功率器件和深紫外光电子器件的优选材料。近年来,氧化镓材料及器件的基础研究与产业化,呈现出显著的加速发展势头:单晶尺寸不断扩大,外延薄膜质量不断提高,器件性能不断刷新纪录。2015年及2017年,第一届和第二届氧化镓国际论坛(International Workshop on Gall...

【文章页数】：183 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    §1.1 引言
    §1.2 Ga₂O₃晶体简介
        §1.2.1 结构性质
        §1.2.2 光学性质
        §1.2.3 电学性质
    §1.3 β-Ga₂O₃体块单晶的生长方法及研究进展
        §1.3.1 光浮区法
        §1.3.2 提拉法
        §1.3.3 布里奇曼法
        §1.3.4 导模法
    §1.4 β-Ga₂O₃薄膜外延
        1.4.1 MOCVD
        1.4.2 HVPE
        1.4.3 MBE
    §1.5 β-Ga₂O₃器件及应用前景
        §1.5.1 功率器件
        §1.5.2 “日盲”探测
        §1.5.3 高亮度LED
    §1.6 选题的意义、目的和主要研究内容
第二章 实验部分
    §2.1 晶体生长
    §2.2 单晶质量
    §2.3 组成与结构
    §2.4 硬度和密度
    §2.5 热学性质
    §2.6 电学性质
    §2.7 光学性质
    §2.8 半导体器件制作及性能测试
第三章 β-Ga₂O₃单晶的生长、工艺优化及物理性质表征
    §3.1 引言
    §3.2 提拉法晶体生长
        3.2.1 非定向籽晶生长
        3.2.2 含氧气氛下定向籽晶生长
        3.2.3 晶体螺旋生长原因分析
    §3.3 导模法晶体生长及工艺优化
        3.3.1 晶体生长气氛
        3.3.2 温度梯度优化
        3.3.3 籽晶收颈及放肩控制
    §3.4 单晶质量表征
    §3.5 硬度
    §3.6 热学性质
        3.6.1 比热
        3.6.2 热膨胀
        3.6.3 热扩散系数和热导率
    §3.7 电学性质
        3.7.1 非故意掺杂β-Ga₂O₃晶体的电学性质
        3.7.2 飞行时间(TOF)载流子漂移速度测试
    §3.8 光学性质
        3.8.1 透过光谱及其各向异性
        3.8.2 透过光谱与载流子浓度的关系
        3.8.3 折射率测试
        3.8.4 拉曼光谱
        3.8.5 光致发光谱
    §3.9 非故意掺杂β-Ga₂O₃载流子来源分析
    §3.10 本章小结
第四章 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃单晶生长及电学性质调控
    §4.1 引言
    §4.2 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃及Si掺杂β-(Al_xGa_1-x)₂O₃晶体导模法生长
    §4.3 掺杂浓度与分布
    §4.4 硬度
    §4.5 热扩散系数
    §4.6 组分与光学性质
        4.6.1 组分与禁带宽度变化
        4.6.2 拉曼光谱
        4.6.3 光致发光谱
    §4.7 Si掺杂β-(Al_xGa_1-x)₂O₃晶体电学性质
    §4.8 本章小结
第五章 衬底片加工与表面改性
    §5.1 引言
    §5.2 传统机械加工
        5.2.1 晶体定向
        5.2.2 晶体切割
    §5.3 衬底片机械剥离及应用
        5.3.1 衬底片机械剥离
        5.3.2 基于剥离衬底的薄膜外延
    §5.4 气氛退火与表面改性
        5.4.1 纯β-β-Ga₂O₃晶体气氛退火
        5.4.2 Si掺杂β-Ga₂O₃晶体气氛退火
        5.4.3 Si掺杂β-AlGaO晶体气氛退火
    §5.5 本章小结
第六章 基于β-Ga₂O₃及β-AlGaO (100)面单晶衬底的器件探索及性能研究
    §6.1 引言
    §6.2 β-Ga₂O₃MSM型“日盲”探测器制备及性能
        6.2.1 β-Ga₂O₃探测器
        6.2.2 Ti³⁺:β-Ga₂O₃探测器
    §6.3 基于β-Ga₂O₃单晶衬底的肖特基二极管
        6.3.1 Pt/β-Ga₂O₃肖特基二极管制备及性能
        6.3.2 Pt/β-Ga₂O₃肖特基二极管性能优化
    §6.4 基于β-AlGaO单晶衬底的肖特基二极管
        6.4.1 Pt/β-AlGaO肖特基二极管制备及性能
        6.4.2 肖特基二极管性能比较
    §6.5 本章小结
第七章 过渡金属离子掺杂β-Ga₂O₃单晶及新应用
    §7.1 引言
    §7.2 Cr⁴⁺:β-Ga₂O₃单晶生长、表征及应用
        7.2.1 晶体生长
        7.2.2 光学性质
        7.2.3 激光调Q实验
    §7.3 Co²⁺:β-Ga₂O₃单晶生长、表征及应用
        7.3.1 晶体生长
        7.3.2 热学性质
        7.3.3 光学性质
        7.3.4 激光调Q实验
        7.3.5 电学性质
    §7.4 Ti³⁺:β-Ga₂O₃单晶生长及性能表征
        7.4.1 晶体生长
        7.4.2 热学性质
        7.4.3 光学性质
    §7.5 本章小结
第八章 总结与展望
    §8.1 主要结论
    §8.2 主要创新点
    §8.3 有待深入研究的问题
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的论文及专利
攻读学位期间获得的奖励
攻读学位期间参加的会议
附件
学位论文评阅及答辩情况表



本文编号：3952717