AG真人AG真人AG真人在后摩尔时代，具有先天性能优势的宽禁带半导体材料脱颖而出，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体，凭借其大幅降低电力传输中能源消耗的显著优势，在功率器件和射频器件领域大放异彩，成为全球半导体行业的研究焦点。而氧化镓(Ga2O3)的出现对此带来了新风向，这是一种新型超宽禁带半导体材料，也是国际广泛关注并认可的第四代半导体材料，Ga2O3基功率器件具备高耐压、低损耗、高效率、小尺寸等特点，应用范围更广。业界普遍认为其有望成为新一代半导体材料的代表。为此，全球半导体企业争先恐后对此予以布局，Ga2O3半导体成为国际研究热点和大国技术竞争的制高点。
对于任何一代半导体技术，从实验室走向市场均要面临来自商业化的挑战。目前Ga 2O 3材料主要采用导模法(EFG)以及熔体法生长工艺进行制备，由于EFG法需要在1800℃左右的高温、含氧环境下完成晶体生长，对制备环境要求很高，所用坩埚材料需满足耐高温、耐氧以及不能污染晶体等要求。高昂的设备成本、复杂的前驱体配置及较低的生长速率，使得大规模、低成本及高效率生长Ga 2O 3材料面临极大挑战。此外，作为一款半导体材料，若要实现大规模应用一般需要p型和n型共同存在，以形成p-n结从而能参照Si器件结构及工艺直接制造MOS、IGBT等功能器件，进而实现广泛的市场应用。然而Ga 2O 3目前仅有n型材料，p型Ga 2O 3材料极度欠缺，限制了对功率更高、散热性更强、稳定性更好的大功率器件的实现，为Ga 2O 3各种电子功能器件的应用带来了较大困难，也使其未来应用潜力充满不确定性。
针对第四代半导体Ga 2O 3目前发展面临的困境，中国科学院理化技术研究所液态金属与低温生物医学研究中心刘静团队提出了全新的解决方案，首次建立了n型及p型掺杂Ga2O3的一步低温印刷技术（图1）并获得成功。与传统半导体掺杂的复杂工艺策略不同，在此新工艺中，半导体的合成与掺杂同时发生，由此省去了多步掺杂工艺的繁琐性和复杂度，而且整个过程全部在较低温度下完成。团队采用此工艺从液态金属GaInSnCu合金表面熔体中成功获得了大面积高质量的Cu掺杂p型Ga 2O 3。基于印刷的p- Ga 2O 3薄膜构建的场效应晶体管(FET)展现出优异的电学性能、p导电性以及环境稳定性。此外，通过对印刷的p型和n型Ga 2O 3进行等离子体处理，进一步提高了Ga 2O 3表面的电子浓度，在无需传统额外的高温退火处理情况下成功实现了p型及n型Ga 2O 3的良好欧姆接触。研究首次展示了高性能全印制Ga 2O 3 p-n同质结二极管，证实其具有优秀的整流效应。这一变革性的低温一步合成及掺杂Ga 2O 3半导体薄膜工艺，为Ga 2O 3半导体材料及Ga 2O 3基电子功能器件的大面积、高质量、可控制备提供了一种简捷、高效、低成本的新策略。相应工作以“Liquid metal gallium-based printing of Cu-doped p-type Ga 2O 3 semiconductor and Ga 2O 3 homojunction diodes”为题发表于Applied Physics Reviews上并被选为亮点文章（Featured article），文章共同第一作者为中科院理化所助理研究员李倩和博士后杜邦登，通讯作者为理化所研究员刘静。
液态金属可与各种所需的金属进行结合，因此根据金属氧化物形成的吉布斯自由能操控液态金属合金薄膜，就提供了制备各种半导体材料的可能性。团队通过构建掺杂Cu的液态GaInSnCu合金，从其表面熔体中成功获得了高质量的Cu掺杂p型Ga 2O 3。液态金属合金表面的p-Ga 2O 3薄膜层与母体Ga之间的结合力很弱，通过在衬底表面印刷液态金属Ga，依靠衬底与Ga 2O 3层之间的范德华力，Ga 2O 3层可轻松附着在衬底上，而母体金属则不能。使用印刷技术将液态GaInSnCu合金印刷在SiO 2/Si衬底表面，除去金属后，在衬底表面获得大面积、高纯度的p-Ga 2O 3薄膜(图2)，且表面极为洁净。值得注意的是，这种印刷制备的Ga 2O 3薄膜层可通过调整印刷次数来实现不同厚度p-Ga 2O 3薄膜的可控制备。团队进一步构建了FET器件以便对半导体薄膜的电学性能加以探究，结果显示，通过这种印刷工艺制备的p-Ga 2O 3器件具有优秀的电学特性；此外，研究小组对于最重要的掺杂半导体稳定性也进行了考察，实验表明将器件放置在大气环境中一个月性能无衰减，展现出了优异的环境稳定性(图3)。
与传统的高温（热）扩散和离子注入等半导体掺杂工艺相比，此类基于液态金属合金的新工艺可实现p型Ga 2O 3的一步低温印刷，且无需复杂的前驱体配置及高昂的设备，这种变革性的Ga 2O 3薄膜制备技术极大降低了Ga 2O 3的制备成本，可望对大规模应用半导体器件制造的传统掺杂工艺带来底层变革。
目前，Ga 2O 3在功率器件应用中仍存在不少挑战，如实现良好的欧姆及肖特基接触、注入掺杂工艺尚不成熟等问题。对于每一个半导体器件来说，都需要有金属—半导体接触形成与外部的连接AG真人，而金属—半导体之间接触电阻的大小直接影响到半导体器件的输出功率、噪声频率特性及热稳定性。良好的欧姆接触可以提高器件的效率和使用寿命，降低整个电路系统的能耗。由于宽带隙半导体材料与大多数金属之间的势垒高度较大，因此很难实现良好的欧姆接触。此外，宽带隙半导体材料很难获得高载流子浓度，低载流子浓度会导致较大的空间电荷区宽度和较长的载流子隧穿距离，也使得宽带隙半导体材料的欧姆接触难以实现。在这种情况下，如何制备具有低比接触电阻和高稳定特性的欧姆接触便成为了Ga 2O 3器件工艺技术中的一个重要研究课题。
团队通过对印刷的p型和n型Ga 2O 3进行等离子体处理，在Ga 2O 3表面激发产生氧空位，使Ga 2O 3表面的电子浓度提高，在无需传统的高温退火、离子注入衬底掺杂以及引入中间层的情况下成功实现了良好的欧姆接触，为异质结二极管的制备奠定了良好的基础(图4)。进一步地，通过结合范德华(vdW)堆叠和转移打印工艺构筑了性能优异的全印刷Ga 2O 3 p-n同质结二极管，此二极管展现出明显的整流特性，在10 V的正向电压作用下输出1.3 mA的大电流(图5)AG真人。这项研究为液态金属基同质及异质结构的印刷制备以及在新一代电子功能器件中的广泛应用提供了新的开端，证实了它们在功能和集成电路应用中的重要潜力, 随着液态金属半导体材料家族的不断扩大以及相关半导体印刷工艺的开发，可为更广阔的研究和应用提供基础，继而带来基于半导体材料、功能器件乃至集成电路创新的产业变革。
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