氧化镓

近日，第68届IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM,国际电子器件大会)在美国旧金山召开。IEEE IEDM是一个年度微电子和纳电子学术会议，是报告半导体和电子器件技术、设计、制造、物理和建模等领域的关键技术突破的世界顶级论坛，其与ISSCC、VLSI并称为集成电路和半导体领域的“奥林匹克盛会”。中国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，这也是中国科大首次以第一作者单位在IEEE IEDM上发表论文。　　1.高功率氧化镓肖特基二极管 如何开发出有效的边缘终端结构，缓解肖特基电极边缘电场是目前氧化镓肖特基二极管研究的热点。由于氧化镓P型掺杂目前尚未解决，PN结相关的边缘终端结构一直是难点。该工作基于氧化镓异质PN结的前期研究基础(Weibing Hao, et.al.，in proc. ISPSD, 105，2022)，将异质结终端扩展结构(Junction Termination Extension, JTE)成功应用于氧化镓肖特基二极管。该研究通过合理设计优化JTE区域的电荷浓度，确保不影响二极管正向特性的同时最大化削弱肖特基边缘电场，从而有效提高器件的耐压能力。优化后的器件实现了2.9 mΩcm2的低导通电阻和2.1kV的高击穿电压，其功率品质因数高达1.52 GW/cm2。此外，利用该优化工艺成功制备并封装了大面积的氧化镓肖特基二极管，器件正向偏压2V下电流密度达到180A/cm2，反向击穿电压高达1.3kV。研究成果以“High-Performance Vertical β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes Featuring P-NiO JTE with Adjustable Conductivity”为题发表在IEDM 2022上，且获选为Top Ranked Student Paper。论文第一作者为我校微电子学院博士生郝伟兵，微电子学院龙世兵教授和徐光伟特任副研究员为论文共同通讯作者。图1结终端扩展氧化镓肖特基二极管。(a)器件结构示意图。(b)具有不同JTE区域电荷浓度的器件击穿特性比较。 (c)封装器件反向恢复特性测试电路。(d)与已报道的氧化镓肖特基二极管的性能比较。 2.氧化镓光电探测器光电探测器在目标跟踪、环境监测、光通信、深空探索等诸多领域发挥着越来越重要的作用。响应度和响应速度是光电探测器的两个关键的性能参数，然而这两个指标之间存在着制约关系，此消彼长。由于缺乏成熟的材料缺陷控制技术，该问题在以氧化镓材料为代表的超宽禁带半导体探测器中尤为突出。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(图2a)，来缓解上述制约关系。该OPG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(图2b)；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。OPG方案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(图2c)。此外，如图(2d)所示，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。特别地，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。该工作提出了一种光电探测器芯片内千万像素共享一颗辅助LED即可缓解响应度与响应速度之间的制约关系的策略，对光电探测芯片综合性能的提升有重要的参考意义。研究成果以“Alleviating the Responsivity-Speed Dilemma of Photodetectors via Opposite Photogating Engineering with an Auxiliary Light Source beyond the Chip”为题发表在IEDM 2022上。我校微电子学院龙世兵教授和赵晓龙特任副研究员为论文的共同通讯作者，微电子学院博士生邹燕妮为论文第一作者，硕士生曾妍和博士生谭鹏举为论文的共同第一作者。图2对向光栅(OPG)光电探测器概念及基本特性。上述两项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院和科技委等的资助，也得到了中国科大微纳研究与制造中心、中国科大信息科学实验中心、富芯微电子公司等在器件制备、仿真模拟及封装方面的支持。

26日，记者从中国科学技术大学获悉，该校微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台，分别采用氧气氛围退火和氮离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。相关研究成果日前分别在线发表于《应用物理通信》《IEEE电子设备通信》上。作为新一代功率半导体材料，氧化镓的p型掺杂目前尚未解决，氧化镓场效应晶体管面临着增强型模式难以实现和功率品质因数难以提升等问题，因此急需设计新结构氧化镓垂直型晶体管。研究人员分别采用氧气氛围退火和氮离子注入工艺制备了器件的电流阻挡层，并配合栅槽刻蚀工艺研制出了不需P型掺杂技术的氧化镓垂直沟槽场效应晶体管结构。氧气氛围退火和氮离子注入所形成的电流阻挡层均能够有效隔绝晶体管源、漏极之间的电流路径，当施加正栅压后，会在栅槽侧壁形成电子积累的导电通道，实现对电流的调控。类似于硅经过氧气氛围退火处理可形成高阻表面层，氧化镓采用该手段制备电流阻挡层具有缺陷少、无扩散、成本低等特点，器件的击穿电压可达到534伏特，为目前电流阻挡层型氧化镓MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）器件最高值，功率品质因数超过了硅单极器件的理论极限。研究人员表示，这两项工作为氧化镓晶体管找到了新的技术路线和结构方案。

【名家案例】一步到位——醛的直接氧化酯化反应康宁反应器技术 2023-05-25 16:43 发表于上海研究背景将醛直接氧化酯化是有机合成的研究热点，但醛直接氧化酯化却常有以下问题：“贵”：氧化醛酯化的典型方法依赖于在不同氧化剂，如H2O2、叔丁基过氧化氢（TBHP）或O2存在下的各种过渡金属催化剂，这种方法通常需要将昂贵的配体与特殊催化剂相结合；“危”：过氧化反应生产的过氧化物都含有过氧基（-O-O-），属含能物质。过氧化反应体系危险度已达到了四级或五级，而采用降低过氧化剂累积度的措施降低危险度很难保证不发生操作失误。欧洲著名连续流专家，奥地利Graz大学C.Oliver Kappe教授开发了一种过硫酸原位生成并在线消耗，直接实现醛的氧化酯化连续流合成的工艺，大大降低了安全隐患。该工艺可扩展到多种脂肪族和芳香族醛的转化，并通过多克级合成验证了其制备能力。研究过程01 过硫酸的生成Oliver教授将H2O2与硫酸混合生成过硫酸。考虑到过硫酸的不稳定性和爆炸性分解的倾向，作者通过连续流反应器，实现过硫酸的原位生成与在线消耗，提高过硫酸的实用性，并将安全风险降至最低。在连续流工艺开发之前，为了表征过硫酸的形成和分解，评估反应过程中潜在的安全隐患，作者使用反应量热仪探究了H2SO4-H2O2反应体系的热行为。图1. 热量滴定试验研究发现过硫酸的形成需要高于70°C (图 1)，过硫酸在生成后直接发生降解，反应焓(-271.5±10.1 KJ.mol-1)包括过硫酸的生成和分解。02 氧化醛酯化反应装置搭建：在获得了足够的过硫酸形成与分解的数据后，作者搭建了连续流的反应装置：在甲醇存在下形成过硫酸并随后进行氧化醛酯化反应。图2. 直接氧化酯化的连续流动示意图实验中肉桂醛作为底物溶解在MeOH中，将H2SO4的MeOH溶液与H2O2溶液进行连续混合，分别泵入反应器。经反应器流出的反应液又通过加热且带有背压的反应线圈，最后反应液被导入含有饱和NaHCO3水溶液以及MnO2混合物的烧瓶中，进行反应的在线淬灭。反应优化：作者对反应进行了优化，结果如下。表1. 肉桂醛直接氧化酯化反应的优化在反应温度为100℃，H2SO4和H2O2都只有2eq. 时，转化率可以达到100%，仅检测到少量的副产物氢肉桂酸(2) (table1，entry2)；相对于H2O2，使用过量的H2SO4更加有利于反应。推测其原因是更加利于缩二甲酯的形成(table1, entry6, entry7)；当H2SO4为2.4eq.，反应器温度达到120°C时，可以实现定量转化和97%的选择性(table 1, entry9 VS entry10)。反应机理研究：通过对反应的研究，作者给出了可能的硫酸醛类氧化酯化反应的反应机理。图3. 可能的反应机理03 过硫酸氧化酯化反应拓展作者进一步研究了多种脂肪醛以及取代芳醛作为底物的反应体系，验证过硫酸氧化酯化反应的实用性。向下滑动查看完整表格表2. 取代芳醛作为底物的拓展研究研究表明，该方法不管是对脂肪醛还是对芳香醛都有着广泛的实用性。04 可持续性和对环境影响的研究为了评估过程的可持续性和对环境的影响，作者研究了著名药物帕罗西汀合成中的关键中间体。帕罗西汀是一种选择性血清素再摄取抑制剂，广泛用于治疗抑郁症和惊恐障碍。图4. 帕罗西汀的合成对γ-硝基醛（5）氧化酯化制γ-硝基酯（6），作者利用连续过硫酸氧化酯化得到的数据和基于N-溴代琥珀酰亚胺（NBS）的氧化的文献数据，进行了分析E因子、过程质量强度（PMI）、反应质量效率（RME）、原子经济性（AE）和最优效率（OE）的比较。表3. 可持续性和对环境影响的研究结果表明，流动过程执行地更好。流动过程对环境更友好、产生的废物更少，因此更可持续。研究小结作者提出了一种过硫酸原位生成并在线消耗，直接实现醛的氧化酯化连续流合成的工艺。将过硫酸的安全隐患降到最低。通过一系列脂肪族和芳香族底物的氧化酯化反应，验证了该工艺的拓展通用性，均实现了良好的转化率和较高的选择性。连续流反应器的应用使过硫酸成为一种简单而有效的氧化剂，它在各种通量规模的合成应用都将成为可能。流动过程对环境更有友好、产生的废物更少，因此更可持续。参考文献：ChemSusChem 2023, 16, e202201868