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【会员论文】厦门大学、上海光机所、上海市宽禁带与超宽禁带半导体材料重点实验室等研究团队：氧化镓薄膜外延、掺杂调控与缺陷控制研究进展
日期：2026-04-24阅读：81
由厦门大学张洪良教授、上海光学精密机械研究所齐红基研究员、上海市宽禁带与超宽禁带半导体材料重点实验室等联合研究团队在学术期刊《人工晶体学报》发表了题为《氧化镓薄膜外延、掺杂调控与缺陷控制研究进展》的综述论文。
背景
氧化镓（Ga2O3）是一种极具战略价值的超宽禁带半导体材料，禁带宽度约为4.9 eV，理论临界击穿场强高达8 MV/cm，巴利加优值显著优于碳化硅和氮化镓，在高功率电子器件、射频前端器件以及日盲紫外探测领域展现出巨大的应用潜力。尤为重要的是，氧化镓可以通过熔体法实现大尺寸、低成本、高质量单晶衬底的规模化制备，这一独特优势使其在商业化路径上较氮化铝、金刚石等超宽禁带材料更具竞争力。外延薄膜是连接单晶衬底与高性能器件的关键桥梁，其晶体质量、表面形貌、掺杂浓度以及缺陷分布直接决定了最终功率器件的击穿电压和导通电阻等性能。当前，氧化镓外延技术在背景载流子的有效抑制、n型掺杂的精确调控、大尺寸高质量厚膜的快速生长，以及位错、孪晶等缺陷密度控制等方面仍面临重要挑战。此外，受能带结构与自补偿效应的影响，氧化镓的p型掺杂依然是制约其双极型器件发展的关键瓶颈。
主要内容
本文系统梳理了β相氧化镓外延薄膜的研究现状，阐述了HVPE、MOCVD、MBE等主流外延技术的基本原理与技术特点，并深入评述了背景载流子抑制、n型掺杂精确控制、厚膜生长及缺陷演化机制等核心问题近年来的代表性研究进展。此外，本文从物理机理层面剖析了氧化镓p型掺杂长期受限的深层原因，系统归纳了不同晶型氧化镓异质外延的前沿探索，并结合现有技术瓶颈，对氧化镓大尺寸生长、厚膜外延及缺陷控制的未来发展方向作出系统展望，为推动氧化镓外延材料的技术突破与商业化进程提供了重要参考与指引。
创新点
•主流外延技术系统对比：基于HVPE、MOCVD和MBE三种主流外延技术的基本原理和技术特点，从生长速率、掺杂调控能力及优缺点等维度进行了系统性比较，为不同应用场景的技术路线选择提供了清晰依据。
•电学性能调控：综述了抑制背景载流子浓度、实现宽范围高精度n型掺杂的最新策略，为高性能外延薄膜的电学性能调控提供了系统性技术指引。
•厚膜生长与大尺寸外延：结合不同外延技术的发展现状，评述了β-Ga2O3厚膜快速生长、表面质量优化及大尺寸外延面临的关键挑战与应对策略，为规模化外延制备提供了重要技术参考。
•缺陷形成机制与抑制策略：从晶面性质、成核行为等角度，归纳了孪晶、层错、位错及颗粒等缺陷的形成机制与抑制策略。
•p型掺杂挑战剖析：从电子结构与缺陷补偿等角度，对p型掺杂面临的根本性挑战进行了深入分析，并总结了相关探索进展。
•异质外延前沿进展：面向大尺寸生长与高性能功率器件的需求，对β、α和ε等不同晶型氧化镓异质外延的进展与未来趋势进行了综述与展望。
总结
近年来，得益于熔体法大尺寸单晶制备工艺的持续成熟，β-Ga2O3在晶体生长、外延技术及器件制造等方面均取得了重要突破。导模法已可稳定生产位错密度低至104 cm-2 的6英寸Ga2O3晶圆，提拉法、垂直布里奇曼法及铸造法等多种生长方式亦在持续探索中取得积极进展，6英寸衬底与外延片有望成为规模化晶圆代工的标准尺寸。在外延技术方面，HVPE已实现4英寸晶圆上10～15 μm厚膜的商业化生产；MOCVD凭借低成本批量生产优势受到广泛关注，已在(010)和(100)衬底上实现高质量氧化镓外延生长，使用Si掺杂剂载流子浓度可控制1015 cm-3 至1020 cm-3，迁移率最高达200 cm2/(V·s)；MBE则以亚原子级精准控制的独特优势，在低缺陷密度、精准掺杂及清晰界面的薄膜制备方面发挥作用，尤其适用于射频器件中(AlxGa1-x)2O3/Ga2O3二维电子气体系的构建。
当前，β-Ga2O3的产业化进程仍面临两大核心瓶颈：有效p型掺杂的缺失限制了同质PN结器件结构的实现、本征导热性能不足则在高功率密度工作条件下引发显著的自热效应。针对上述挑战，大尺寸高质量外延与精准缺陷控制是实现器件可扩展性与成本优化的重要基础；界面工程与异质结构设计已成为在p型掺杂尚未突破背景下调控载流子输运与电场分布的有效路径；以异质集成高导热衬底为代表的热管理方案，则是提升器件工作稳定性的关键所在。该工作的系统性综述为氧化镓外延材料的技术攻关与产业化推进提供了重要的理论支撑与方向指引。
图 1 不同半导体材料带隙对比示意图。由左至右依次为第一代半导体（Si、Ge）、第二代半导体（GaAs、GaP）、宽禁带材料（GaN、SiC）及超宽禁带材料（β-Ga2O3、金刚石、AlN）
图 2 Si、GaN、SiC、β-Ga2O3、金刚石适用的工作频率范围与输出功率
图 3 氧化镓的主要应用场景，包括功率电子器件、射频器件、日盲紫外光电探测、深紫外透明电极
图 4 氧化镓材料及器件的产业链，主要包括体单晶生长、晶圆切割与抛光、外延薄膜生长、器件制备及模组应用等环节
图 5 不同晶型的Ga2O3的晶体结构图。（a）β-Ga2O3；（b）α-Ga2O3；（c）ε-Ga2O3
图 6 氧化镓不同晶面：（a）（100）和（001）面；(b）（010）面；（c）（-201）面；（d）各晶面的原子排布
图 7 理论计算的β-Ga2O3低指数晶面弛豫前后的表面能大小，其中“A”和“B”区分不同原子构型的表面终止面
图 8 HSE理论计算得到的β-Ga2O3的能带结构
图 9 （a）0.01% Sn 掺杂Ga2O3样品的硬X射线光电子能谱测得的价带谱；（b）DFT计算得到的Ga2O3总态密度与部分态密度；（c）0.01% Sn掺杂Ga2O3样品的价带光电子谱
图 10 Ga2O3晶格中的极性光学声子散射和声学变形势散射的来源示意图（a）与电离杂质散射、中性杂质散射的来源示意图（b）
知网链接：
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=Omth-A4cfW9hvu8wLxsdYbpZStb_aISwhEtFtFjxadu5N15Rg1izqI5GsADCFgbVCqM1TJu6Okcki7MRAWxmudIgccTxaIYPHDGDgBqdLUDBn7rrtojYw7iZe7vNhcltzNmk9iu49Nh3M0mOe7vNnF5skXlyNWaprC2kP-Si_Kxw9TPCCo2QxA==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
