α-Ga₂O₃与β-Ga₂O₃的研究历史、进展与性能介绍

April 8, 2025

一、历史背景

β-Ga₂O₃的早期研究（20世纪中叶）

1952年由Roy等人首次合成，因其稳定的单斜晶系结构（空间群C2/m）成为早期研究焦点。
2000年前后，随着宽禁带半导体需求增长，β-Ga₂O₃在功率电子器件中的应用潜力被发掘。

α-Ga₂O₃的兴起（2010年后）

2012年，日本NIMS团队通过低温溶液法首次制备出亚稳态的α-Ga₂O₃（三方晶系，空间群R-3c）。
2015年后，因α相更高的理论禁带宽度（~5.3 eV）和潜在的光电性能，研究热度迅速提升。

二、研究进展

1. β-Ga₂O₃（主流应用方向）

材料制备：

熔体法（EFG）：2018年日本田村制作所实现6英寸单晶衬底量产。
HVPE（卤化物气相外延）：2021年美国Kyma公司开发出低缺陷β-Ga₂O₃外延片。

器件应用：

功率器件：2023年Flosfia公司推出1200V β-Ga₂O₃ SBD（肖特基二极管），效率超越SiC。
日盲紫外探测：响应度达10⁴ A/W（2022年中科院苏州纳米所成果）。

2. α-Ga₂O₃（新兴研究方向）

材料制备：

MIST-CVD（雾化化学气相沉积）：2020年日本FLOSFIA公司实现α-Ga₂O₃薄膜低温生长（<500℃）。
ALD（原子层沉积）：2023年韩国KAIST团队制备出超薄α-Ga₂O₃量子点。

器件探索：

深紫外LED：发光波长250-280 nm（2021年北京大学团队）。
高频器件：理论电子迁移率高于β相（但实验值仍待提升）。

三、性能优劣对比

性能参数	β-Ga₂O₃	α-Ga₂O₃
晶体结构	单斜晶系（稳定相）	三方晶系（亚稳态）
禁带宽度（eV）	4.7-4.9	~5.3（理论值）
击穿场强（MV/cm）	8（实验值）	预测10+（未充分验证）
电子迁移率（cm²/V·s）	200-300（块体）	理论500+（实验值<100）
热稳定性	>1500℃（不分解）	<800℃（易转相为β或κ相）
制备难度	可大尺寸单晶生长	仅薄膜/纳米结构，单晶生长困难
主要应用	功率电子、日盲紫外探测	深紫外光电器件、高频器件

四、挑战与未来方向

β-Ga₂O₃：

解决p型掺杂难题（目前仅n型可控）。
提升热导率（仅为SiC的1/5，限制高功率应用）。

α-Ga₂O₃：

稳定亚稳态相（通过Al³⁺/In³⁺掺杂抑制相变）。
开发低温外延工艺（兼容硅基集成）。

交叉研究：

异质结构（如α/β-Ga₂O₃超晶格）结合两者优势。
2024年东京工业大学报道的κ-Ga₂O₃（铁电相）可能开辟新赛道。

五、结语

β-Ga₂O₃：技术成熟度高，已进入产业化阶段，主导功率电子市场。
α-Ga₂O₃：性能潜力大，但稳定性与制备技术仍是瓶颈，适合前沿探索，有待于进一步研究，目前二面体科技携手粒子猫科研服务，为科研人员提供相关材料和项目支持。
互补性：二者可能在未来形成“β相主攻功率器件，α相专注光电集成”的格局。

参考文献：

Nature Materials (2023): "β-Ga₂O₃ power electronics roadmap".
Advanced Materials (2022): "Metastable α-Ga₂O₃ for deep-UV optoelectronics".