由浙江大學(xué)楊德仁院士的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)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(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到浙江省“尖兵”和“領(lǐng)雁”研發(fā)計劃（2023C01193）、國家自然科學(xué)基金（52202150、22205203、62204218）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（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(lǐng)軍型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)引進(jìn)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(qiáng)（8 MV/cm）、高電子遷移率的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，非常適合用于高功率器件（如 SBDs 和 MOSFETs）中。為了實(shí)現(xiàn)高性能器件，對應(yīng)的外延層必須具有極高晶體質(zhì)量。鹵化物氣相外延（HVPE）因其高生長速率的能力，是一項(xiàng)重要的同質(zhì)外延技術(shù)。(010) 晶向的 β-Ga₂O₃ 因其潛在的更高熱導(dǎo)率和更低堆垛層錯傾向而受到關(guān)注，但其 HVPE 同質(zhì)外延研究相對較少。在 (010) 面 HVPE 同質(zhì)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(yán)重影響外延層的平整度和均勻性。

3. 主要內(nèi)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(zhì)量、無丘陵?duì)钊毕莸模?10）β-Ga₂O₃ 均勻?qū)?。通過光學(xué)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?duì)罱Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面研究。結(jié)果表明，這些丘陵?duì)钊毕菔嵌嗑ьw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(diào)整氧氣流量，實(shí)施了一種精確的丘陵?duì)钊毕菀种品椒?，?VI/III 比值低于 18 時，獲得了更平滑的（010）外延表面。這項(xiàng)工作為 HVPE（010）β-Ga₂O₃ 層上丘陵?duì)钊毕莸钠鹪春鸵种品椒ㄌ峁┝诵碌囊暯牵瑸橹圃旄咝阅芄β势骷伷搅说缆贰?/span>

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

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

·詳細(xì)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(zhì)為與位錯相關(guān)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(dǎo)致缺陷產(chǎn)生的小丘形成新機(jī)制。

·發(fā)現(xiàn)并通過精確控制 VI/III 的比例，實(shí)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(jié)

在該項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)外延層的島狀生長模式進(jìn)行了全面研究。通過光學(xué)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(guān)技術(shù)對薄膜質(zhì)量和缺陷進(jìn)行了研究。相應(yīng)結(jié)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(kuò)展的島狀結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，Hillock 缺陷頻繁出現(xiàn)。TEM 分析證實(shí)，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(jié)構(gòu)撞擊點(diǎn)處的位錯導(dǎo)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(tuán)隊(duì)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(dāng) VI/III 比率低于 18 時，Ga 原子層的形成促進(jìn)了 Ga 原子的擴(kuò)散，并延遲了島狀結(jié)構(gòu)的撞擊。因此，成功獲得了厚實(shí)、無隆起、高質(zhì)量的薄膜，并且隨著 VI/III 比例的進(jìn)一步降低，薄膜質(zhì)量得到了改善。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該研究為通過 HVPE 法實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量（010）β-Ga₂O₃ 薄膜的同質(zhì)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(yīng)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(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號