专家访谈

【专家访谈】厦门大学张洪良教授：需要一定的耐心和恒心对待氧化镓，使其成“材”成“器”

2023-11-17

2023年，亚洲氧化镓联盟（以下简称“AGOA”）拓展了新的频道——专家访谈。由联盟内部的理事单位、会员单位和专家委员会供稿，阐述各自对氧化镓领域的不同见解。带领我们认识氧化镓、了解氧化镓、深入氧化镓。

本次我们有幸采访联盟理事单位——厦门大学张洪良教授，分享他对于氧化镓这一材料的独到见解。

嘉宾介绍

张洪良，厦门大学教授，国家高层次“青年”人才。2012年获得牛津大学无机化学博士学位，2008年获得新加坡国立大学凝聚态物理硕士学位，2003年获得山东大学学士学位。2012-2017年先后在美国西北太平洋国家实验室和剑桥大学从事博士后工作。研究方向为宽禁带氧化物半导体薄膜外延、电子结构调控及光电器件。迄今在Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Adv. Mater.，J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. B., 等发表论文150余篇，申请专利15项。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委面上基金、企业合作研发等项目10项。曾获剑桥大学Herchel Smith Research Fellowship、台湾积体电路制造公司（TMSC）最佳国际研究生科研奖。

AGOA：请介绍一下您本人或课题组的科研工作

我们团队的研究工作主要围绕氧化物半导体材料及其器件应用展开。这些材料和器件在我们日常生活中所用的电视、手机触摸屏、新能源汽车、5G通讯等领域有着重要的应用。具体来讲，我们的研究方向主要有以下两个方面：

（1）宽禁带氧化镓半导体与光电器件

我们团队现在重点研究的一个方向是宽禁带氧化镓半导体材料与光电探测器件。氧化镓具有4.9 eV的超宽禁带宽度，高于第三代半导体碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）。更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、高效率、大功率、抗辐照等特性。基于氧化镓的功率和光电探测器件在新能源汽车、充电桩、轨道交通、导弹预警、智能电网检测等领域具有重要应用。氧化镓作为半导体领域一颗冉冉升起的新星，受到了各国政府、学术和产业界的强烈关注。美国和日本在2022年相继出台政策，禁止氧化镓单晶和薄膜对中国的出口。基于此背景，我们的工作主要是面向发展氧化镓基光电器件的应用需求，开展高质量氧化镓外延薄膜生长、光电性质调控、缺陷与掺杂机制的关键科学和技术问题研究。

（2）P-型氧化物半导体材料的开发

我们另一方面的工作是开发P-型氧化物半导体材料。宽禁带氧化物半导体具有透明、稳定、可大面积制备等优点，在当今蓬勃发展的平面显示、触摸屏、光伏等产业领域具有广泛应用。然而大部分氧化物半导体都是N-型，缺乏与之相匹配的P-型氧化物的匮乏极大制约着更高性能、更多功能的新型器件的开发。发展P-型氧化物半导体将有力地推动光电子技术的革新。我们的工作是针对P-型氧化物迁移率低的问题，通过“价带顶的能带结构调控”策略原创性的开发新型的P-型氧化物半导体材料。

AGOA：团队研究目前遇到的难点、或近期攻破的难点

对于氧化镓半导体材料的研发方面，其产业链大体包括单晶衬底、外延薄膜、器件制作等环节。其中，单晶制备和外延薄膜是器件制备的关键基础材料，其品质直接决定器件的性能。因此，要实现高性能的氧化镓功率电子器件，就需要制备出低缺陷密度、高结晶质量、高迁移率的氧化镓外延薄膜材料（同时也包括单晶衬底）。这也是整个氧化镓材料领域同仁们当前所共同面临的亟需攻破的问题。氧化镓材料本身容易形成各种缺陷，其晶体结构也存在很大的各向异性，给单晶衬底生长加工和后续的外延带来诸多挑战。需要整合产业链，衬底-加工-外延-器件协同攻关。我们团队一方面跟氧化镓企业进行合作开展工艺方面的研发；另一方面，我们也充分发挥学校团队的研发优势，开展缺陷与掺杂机制的基础研究，尤其对氧化镓外延薄膜缺陷化学、掺杂物理机制及微观电子结构等关键科学问题展开系统性研究，希望从基础源头的突破。

氧化镓半导体在日盲深紫外光电探测应用方面具有先天的材料优势，我们团队也在开展氧化镓基日盲紫外光电探测器件方面的研究。日盲紫外光电探测在电网电晕检测、深紫外杀菌消毒、导弹预警等军事民用领域都具有重要应用。目前，氧化镓探测器的响应度性能已经很高。但探测器的响应时间还比较慢，这可能是材料内部缺陷、界面或器件结构不够优化等因素所导致的。我们团队也通过制备高质量的材料、器件界面优化、构筑异质结等策略研制响应速度快的探测器件。此外，探测器的研发亟需要跟具体的应用结合。根据具体应用场景开发相对于指标性能的探测器。

另一方面，对于大多数氧化物半导体（如氧化镓、氧化锌、氧化锡等）缺乏相应的p型掺杂材料极大地限制了器件的研制。虽然文献上有很多关于p-型氧化物材料的报道，但其可靠性，稳定性和迁移率方面还存在诸多问题。限制p-型氧化物半导体材料的内在原因是氧化物价带顶部电子态主要由强局域化的O 2p电子态构成，导致空穴迁移率低，激活能高。氧化物这种本身的电子结构特征是实现p-型掺杂的内在根源，也是领域难点。我们课题组长期从事这方面的研究。我们近期提出的一个策略是通过引入含有Sn 5s²或Bi 6s²电子态的元素对氧化物价带顶部进行调制，获得高的p-型迁移率。

AGOA：您看好氧化镓哪方面的发展潜质和未来应用领域？

氧化镓材料所具有的超宽带隙使其在功率电子器件和日盲光电探测器方面有非常好潜在的应用，尤其是在高压大功率功率电子器件方面有先天独特优势。另一方面，相较于氮化镓和碳化硅，氧化镓可以通过熔体法制备大尺寸衬底，这有可能大大降低材料的制备成本。关于氧化镓材料的潜力和应用在很多媒体和专业期刊有很多报道，我就不在赘述。但氧化镓半导体还处于产业的初期，还有很多关键科学和技术问题需要攻克，非常需要科研和产业界持续地共同努力予以攻克。需要一定的耐心和恒心对待氧化镓，使其成“材”成“器”。一个半导体材料从出现到真正应用是一个漫长不断迭代的过程。比如，现在火热的SiC，从SiC概念到如今商业化也经历30多年的发展。最后，我在这里想补充一点的是：氧化镓是比较容易通过n-型掺杂获得高导电、深紫外透明的薄膜或衬底。我觉得氧化镓在这方面可能也有一定的潜在应用。

AGOA：如何看待校企合作及产学研结合方式在氧化镓产业化发展中的作用？

经过近十年科研和产业界的共同努力，氧化镓半导体材料和器件已经获得了长足的发展，很多方面都获得了突破，比如6英寸衬底的实现，高耐压的功率电子器件的成功研制等。但较于GaAs、GaN、SiC等较为成熟的化合物半导体，当前氧化镓产业还处于初期阶段，氧化镓从单晶衬底、薄膜外延和器件整个产业链仍存在许多基础科学问题需要解决。校企合作、产学研协同攻关肯定是最适合氧化镓当前发展阶段的模式。在科研项目方面，高校能更好发挥人才队伍和设备平台优势以及对基础科学问题的解析和原创性技术的产出。高校与企业一起共同攻关产业化进程中遇到的关键问题，能很多程度上减轻企业的经济和时间成本，同时也提升的核心技术竞争力。另一方面，我觉得校企产学研合作也更利于人才的培养。尤其在半导体产业方面，从材料到器件都有很多的基础科学问题需要解决。这样能培养出解决产业真正问题的人才。当然，如何保障产学研的高效合作确实需要双方探索最合适的合作模式。

AGOA：是否有需要资金支持的研发项目？

需要资金支持的研发项目很多。比如我刚才提到的氧化镓薄膜的外延，缺陷与掺杂机制研究、日盲探测器件等都需要资金的支持，加快从材料基础到器件再到应用的推进速度。

AGOA：对联盟的工作有什么意见或建议吗？

我们联盟聚集了国内外氧化镓领域专家学者和行业领军企业，在促进氧化镓基础研究、产学研合作交流、产业化进程等诸多方面发挥了巨大作用。在此对联盟表示衷心的感谢，希望联盟越办越好，事业蒸蒸日上。我们团队也将继续联盟的工作，保持与同行的沟通交流，共同推进氧化镓事业的发展。