【国际论文】利用可变闭合耦合喷淋头 MOCVD 反应器对 β-Ga₂O₃ 外延生长的综合研究

        由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为Comprehensive study of β-Ga₂O₃ epitaxial growth using a variable closed-coupled showerhead MOCVD reactor（利用可变闭合耦合喷淋头 MOCVD 反应器对 β-Ga₂O₃ 外延生长的综合研究）的文章。该篇文章被期刊编辑评为精选文章。

        毕业于北京大学获理学学士学位，后于加州大学洛杉矶分校获得博士学位。曾在加州理工学院和伊利诺伊大学从事博士后研究工作，并在 II-VI 公司（前身为 EpiWorks 公司）积累了丰富的行业经验。 2007 年，任职于伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校（UIUC），担任工程学院Donald Biggar Willett工程学教授，并出任Nick Holonyak Jr. 微纳技术实验室的代理主任。2021 年 8 月，于德克萨斯大学（UT）任教，担任电气与计算机工程系Temple 基金会 No. 3 讲席教授。并且在化学系担任 Dow Professorship。

        研究重点是纳米结构半导体材料和器件。在期刊上发表了 160 多篇论文，拥有 20 多项专利，并在世界各地举办了 140 多场特邀讲座。李教授研究通过使用创新的外延生长和纳米制造方法（包括 III-N 和 Ga₂O₃ 的金属有机化学气相沉积 (MOCVD)、金属辅助化学气相沉积 (MacEtch) 和应变诱导自卷积膜 (S-RuM)）开辟了新的途径，以满足不断缩小微电子器件的尺寸、重量、功率和成本（SWAP-C）等应用的需求。

        β-Ga₂O₃ 作为极具前景的超宽禁带半导体材料，有望彻底改变高功率电子领域。大规模制造出高质量的 β-Ga₂O₃ 外延薄膜迫在眉睫。本研究采用一款可投入生产的闭合耦合喷淋头金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应器，并结合原位反射率监测，详细探究了生长参数对在（010）和（001）取向的本征衬底以及具有 0° - 8° 偏轴取向的 c 面蓝宝石衬底上 β-Ga₂O₃ 外延生长的影响。通过调整喷淋头与基座之间的间距，并对包括退火、成核、生长温度、反应器压力和衬底取向在内的其他生长参数进行映射，实现了最先进的晶体质量，对于 2 英寸和 4 英寸衬底，外延生长速率高达 7.2 μm/h 时，晶圆级厚度均匀性仍保持在小于 1% 的变化范围内。所有生长均使用 TMGa 和纯 O₂ 作为前驱体，N₂ 作为载气，而非更常用的氩气；通过二次离子质谱法未检测到氮和碳的掺入。对于在（010）衬底上进行的掺硅 β-Ga₂O₃ 薄膜的同质外延，室温霍尔迁移率在载流子浓度为 1.26 × 10¹⁷ cm⁻³ 时达到 148 cm²/V s，生长速率为 2.6 μm/h。对于在蓝宝石上的异质外延，偏离轴的衬底表现出增强的结晶度，如 0° 和 8° 偏离角蓝宝石衬底的 X 射线衍射摇摆曲线半高宽从 2834 弧秒持续减小到 1300 弧秒所示。这些结果证明了这种反应器设计在制造规模的 β-Ga₂O₃ 生长中的可扩展性和潜在优势，并为功率电子应用中均匀高质量薄膜的可控性提供了新的见解。

图 1. 在同轴蓝宝石衬底上生长的 500 nm 厚 β-Ga₂O₃ 薄膜的成核层和外延层生长温度的影响。(a) X 射线衍射 (XRD) θ-2θ 扫描，(b) XRD (-201) 峰 FWHM 与成核层生长温度（蓝色菱形符号）和表层生长温度（红色圆圈符号）的函数关系，前者保持表层生长温度为 1080°C，后者保持成核温度为 580°C。

图 2. 工艺间隙和前驱体加入的影响。(a) 在两种压力下，生长率和晶圆上 TMGa 掺杂效率与喷淋头和吸收器之间的工艺间隙的函数关系。(b) 在两种生长温度下，生长率与 TMGa 流量的函数关系，如 7 mm 间距下的标记。所有生长都是在同轴蓝宝石衬底上进行的。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0239454