由浙江大學楊德仁院士的研究團隊在學術期刊 Crystal Growth & Design 發(fā)布了一篇名為 Suppression of Hillock Defects on (010) β-Ga₂O₃ Homoepitaxial Layer Growth via Halide Vapor Phase Epitaxy（通過 HVPE 法抑制 (010) β-Ga₂O₃ 同外延層生長上的 Hillock 缺陷）的文章。

1. 項目支持

該項研究得到浙江省“尖兵”和“領雁”研發(fā)計劃（2023C01193）、國家自然科學基金（52202150、22205203、62204218）、中央高校基本科研業(yè)務費（226-2022-00200、226-2022- 00250）的資助、 國家博士后創(chuàng)新人才計劃（BX20220264）、國家青年拔尖人才支持計劃、杭州市領軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團隊引進計劃（TD2022012）。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 是一種具有超寬帶隙（~4.8 eV）、高擊穿場強（8 MV/cm）、高電子遷移率的超寬禁帶半導體材料，非常適合用于高功率器件（如 SBDs 和 MOSFETs）中。為了實現(xiàn)高性能器件，對應的外延層必須具有極高晶體質量。鹵化物氣相外延（HVPE）因其高生長速率的能力，是一項重要的同質外延技術。(010) 晶向的 β-Ga₂O₃ 因其潛在的更高熱導率和更低堆垛層錯傾向而受到關注，但其 HVPE 同質外延研究相對較少。在 (010) 面 HVPE 同質外延中，表面 Hillock 缺陷的形成是一個主要的難題，這是一種微米尺度的凸起形貌，嚴重影響外延層的平整度和均勻性。

3. 主要內容

Hillock 缺陷是一種表面缺陷，具有小丘或凸起的形態(tài)，會顯著損害（010）面 β 相氧化鎵（β-Ga₂O₃）外延層的平整度和均勻性。在此，通過鹵化物氣相外延（HVPE）成功生長出了厚度約為 10 μm 的高質量、無丘陵狀缺陷的（010）β-Ga₂O₃ 均勻層。通過光學顯微鏡（OM）、共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）、X 射線搖擺曲線（XRC）分析和透射電子顯微鏡（TEM）對生長模式和丘陵狀結構進行了全面研究。結果表明，這些丘陵狀缺陷是多晶顆粒，沿<001>方向生成，具有特定的（610）和（6-10）相交面。通過在固定 HCl 流量的情況下調整氧氣流量，實施了一種精確的丘陵狀缺陷抑制方法，在 VI/III 比值低于 18 時，獲得了更平滑的（010）外延表面。這項工作為 HVPE（010）β-Ga₂O₃ 層上丘陵狀缺陷的起源和抑制方法提供了新的視角，為制造高性能功率器件鋪平了道路。

4. 創(chuàng)新點

·首次報道使用澆鑄法生長的 β-Ga₂O₃ 襯底進行 (010) 面 HVPE 同質外延生長。

·詳細研究并表征了 (010) β-Ga₂O₃ 表面在 HVPE 生長過程中的特定島狀生長模式。

·通過 TEM 等手段深入分析了 (010) HVPE 生長層中常見的小丘缺陷，揭示其本質為與位錯相關的特定取向多晶 β-Ga₂O₃ 顆粒。

·提出了基于生長島嶼碰撞合并導致缺陷產生的小丘形成新機制。

·發(fā)現(xiàn)并通過精確控制 VI/III 的比例，實現(xiàn)了對 Hillock 缺陷的有效抑制，在 VI/III < 18 條件下獲得了無 Hillock 的外延層。

5. 總結

在該項工作中，研究團隊通過氫化物氣相外延（HVPE）方法對在（010）鑄造襯底上生長的 β-Ga₂O₃ 同質外延層的島狀生長模式進行了全面研究。通過光學顯微鏡（OM）、共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）、X 射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）及相關技術對薄膜質量和缺陷進行了研究。相應結果表明，在延長生長周期后，由于外延生長過程中沿<001>方向擴展的島狀結構發(fā)生坍塌，Hillock 缺陷頻繁出現(xiàn)。TEM 分析證實，這些 Hillock 缺陷是嵌入襯底中的多晶顆粒，具有（610）和（6-10）的一定交界面，這是由于島狀結構撞擊點處的位錯導致基體失配所致。通過在保持氯化氫流量恒定的情況下減少氧氣流量，團隊引入了一種更精確的方法來控制 HVPE 生長過程中的 VI/III 比率。更重要的是，Hillock 缺陷的形成對氧氣流量非常敏感。當 VI/III 比率低于 18 時，Ga 原子層的形成促進了 Ga 原子的擴散，并延遲了島狀結構的撞擊。因此，成功獲得了厚實、無隆起、高質量的薄膜，并且隨著 VI/III 比例的進一步降低，薄膜質量得到了改善。團隊認為，該研究為通過 HVPE 法實現(xiàn)高質量（010）β-Ga₂O₃ 薄膜的同質外延生長提供了有價值的見解，并為制造高性能厚外延層 SBD 器件鋪平了道路。

6. 圖文示例

圖 1. 在Sn摻雜的（010）襯底上生長（a）30 分鐘和（c）1 小時后的外延層的 CLSM 圖像。(b)和(d)分別顯示了(a)和(c)相應的 CLSM 三維形貌。

圖 2. 分別為 VI/III 比率等于 (a) 40、(b) 30、(c) 25、(d) 15、(e) 6.25 和 (f) 3.75 時外延層形態(tài)的代表性 CLSM 圖像。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.5c00070

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號