中山大學團隊：基于MOVPE法獲得的宏觀缺陷自由同質外延(100)β-Ga?O?薄膜

DT半導體材料 2025-09-26 19:34

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β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是下一代功率器件的理想材料之一，而高質量的厚膜同質外延是制造這些器件的基礎。在所有晶向中，(100) 晶向的 β-Ga₂O₃ 襯底因易于大尺寸制備而具有重要的商業價值，但其孿晶形成能較低，導致外延生長時容易產生孿晶和堆疊層錯等缺陷。對于需要微米級厚度外延層的功率器件而言，生長過程中缺陷的累積會導致表面出現宏觀缺陷，嚴重影響器件的性能和可靠性。雖然使用偏切襯底是改善外延質量的常用方法，但切角對 (100) β-Ga₂O₃ 厚膜外延中宏觀缺陷形成與抑制的具體作用機制尚不明確，需要系統性研究。

由中山大學裴艷麗教授、王鋼教授團隊聯合深圳信息職業技術大學在學術期刊 Journal of Alloys and Compounds 發布了一篇名為 Macro-defect-free homoepitaxial (100) β-Ga₂O₃ by MOVPE: Effect of Miscut angles（基于 MOVPE 法獲得的宏觀缺陷自由同質外延 (100) β-Ga₂O₃ 薄膜：傾斜切割角度的影響）的文章。方湃文為文章第一作者。

現今 β-Ga₂O₃ 是新一代功率器件的新興候選材料，但其同質外延生長技術仍有待改進。本研究旨在深入探討襯底傾斜角度對 (100) β-Ga₂O₃ 厚膜同質外延的影響。通過金屬有機氣相外延技術，以三甲基鎵為前驅體，成功實現厚度超過 2 μm 的 β-Ga₂O₃ 同質外延生長，生長速率高達 0.8 μm/h。在切角為 4° 的 (100) β-Ga₂O₃ 襯底上，實現了無宏觀缺陷的平滑表面及臺階流生長模式。

相比之下，即使優化生長條件，生長于 0°、1° 和 2° 切角襯底上的外延薄膜仍存在宏觀缺陷，表現為大臺階結構及頂部凸起晶粒。透射電子顯微鏡觀測表明，含孿晶區和晶粒的宏觀缺陷主要由堆疊層錯向上延伸所致。增大襯底切角可有效抑制宏觀缺陷。從原子遷移角度看，大切角具有窄的臺階寬度，能促進原子在階梯扭折位點處的吸附，有效降低二維成核概率，從而防止堆疊層錯和宏觀缺陷的形成。這項工作證明，要獲得具有平滑表面的微米級厚度的 (100) β-Ga₂O₃ 同質外延薄膜，必須采用較大的錯切角，這對功率器件的應用非常重要。

研究亮點

● 研究了在 (100) β-Ga₂O₃ 襯底上生長微米級厚度同質外延膜。

● 外延薄膜表面宏觀缺陷的形成歸因于堆疊層錯的向上延伸。

● 研究了外延模式與襯底傾斜角度對宏觀缺陷形成的影響。

● 較大傾斜角度（4°）可抑制二維成核，在厚膜外延過程中實現無宏觀缺陷的平滑表面。

本研究采用 TMGa 作為前驅體，在不同切角襯底上實現了 (100) β-Ga₂O₃ MOCVD 同質外延生長。在切角為 4° 的襯底上生長的約 2.4 μm 厚外延膜，實現了臺階流生長模式和無宏觀缺陷的平滑表面。相反，即使優化了生長模式，在切角較小的襯底上生長的外延膜表面仍觀察到大量宏觀缺陷。透射電子顯微鏡圖像揭示，表面宏觀缺陷實為晶體顆粒，主要由堆垛錯位向上延伸所致。當切角較小時，原子臺階的扭折位點數量不足，部分吸附原子可能通過二維成核形成扭折位點，進而導致后續同質外延過程中出現堆垛錯位及表面宏觀缺陷。隨著切角增大，扭折位點數量顯著增加，二維成核概率隨之降低。通過抑制堆疊層錯，最終獲得表面平整且無宏觀缺陷的同質外延厚膜。本研究深化了對 (100) β-Ga₂O₃ 同質外延的認識，為功率器件應用奠定了基礎。

圖1. 在切角為 (a) (b) (c) 0° 和 (d) (e) (f) 1° 的 (100) β-Ga₂O₃ 襯底上生長的同質外延薄膜的 8 μm 范圍原子力顯微鏡圖像、光學顯微鏡圖像及高分辨率X射線衍射搖擺曲線。

圖2. (a) 表面宏觀缺陷的掃描電子顯微鏡圖像；(b) 無誤切角樣品宏觀缺陷的透射電子顯微鏡截面圖像；(c) 和 (d) 分別是 (b) 圖中黃色框和紅色框的放大圖像； (e) 堆疊層錯的HRTEM衍射圖案（插圖對應黃框區域的FFT圖像）；(f) (e) 中黃框區域的IFFT圖像；(g) 和 (h) 分別為明場圖像及其對應的 FFT 圖像。

圖3. (a) 1° 切角樣品表面宏觀缺陷的透射電子顯微鏡橫截面圖像；(b) (a) 圖中紅框區域的放大圖像。

圖4. 在生長條件 II 下，于無切角的 (100) β-Ga₂O₃ 襯底上生長的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 (a) 8 μm、(b) 2 μm和 (c) 0.5 μm 范圍內的 AFM 圖像以及 (d) 光學顯微鏡圖像。在生長條件III下，具有 1° 切角的 (100) β-Ga₂O₃ 襯底上生長的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 (e) 8 μm、(f) 2 μm 和 (g) 0.5 μm 范圍內的 AFM 圖像以及 (h) 光學顯微鏡圖像。