【国际论文】ASS丨美国宾夕法尼亚州立大学：斜切(100)氧化镓衬底外延生长的表面制备工艺评估

        由美国宾夕法尼亚州立大学、Luxium Solutions, LLC 的联合研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Evaluation of surface preparation methods for epitaxial growth on miscut (100) β-Ga₂O₃ substrates（斜切(100)氧化镓衬底外延生长的表面制备工艺评估）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是带隙 4.85 eV、临界击穿电场 8 MV/cm 的超宽禁带半导体，适合高压功率器件、传感器与光电器件，可通过 EFG、垂直布里奇曼等熔体法制备大尺寸单晶，产业化潜力巨大。(100)晶向斜切衬底可抑制外延层孪晶与二维岛状形核，实现台阶流生长、提升载流子迁移率，是极具潜力的外延基底。

        现有工艺多采用磷酸刻蚀+氧气退火处理镁掺杂绝缘(100)衬底，但该方案对铁掺杂绝缘、锡掺杂导电衬底会造成严重表面粗糙化。不同掺杂类型衬底的最优刻蚀、退火工艺尚不明确；退火氛围、压力、温度、时长会改变镓空位浓度，直接影响表面台阶有序度与衬底导电性，Si 杂质污染也会破坏台阶结构。

        本文系统对比 HF、TMAH、磷酸三种刻蚀剂，以及不同氧/氩退火条件对两种衬底表面形貌、电学性能的影响，开发适配绝缘、导电斜切(100) β-Ga₂O₃ 的通用预处理工艺，为 MOCVD/HVPE 原位外延前表面处理提供可量产方案。

        斜切(100)氧化镓（β-Ga₂O₃）衬底是极具应用前景的晶向，可生长低缺陷、表面平整、迁移率较高的同质外延层。以往研究采用磷酸（H₃PO₄）刻蚀+氧气退火制备镁掺杂斜切(100)衬底用于外延，但本研究发现该工艺应用于其他掺杂类型衬底时会产生严重表面粗糙化。本文系统评估铁掺杂绝缘、锡导电两类 β-Ga₂O₃ 衬底的全套表面制备工艺。将两类衬底在气相外延设备通用压力区间内、850–900℃ 退火后，均可获得均一台阶边缘、均方根粗糙度 S_q<0.2 nm 的平整表面；退火过程中控制氧分压处于极低水平，可保留锡掺杂衬底的表面导电性。结合退火实验与前人密度泛函理论、缺陷研究结果，本文提出：镓空位（V_Ga）浓度，以及可占据空位、形成缺陷复合体、沿空位扩散的杂质，共同调控表面台阶的生成与整体有序化机制。退火前采用稀四甲基氢氧化铵（TMAH）刻蚀可进一步将表面均方根粗糙度降至 0.15 nm 以下。完成表面预处理后，在斜切(100)衬底上实现外延生长，生长速率大于 2 μm/h，外延层表面均方根粗糙度仅约 0.6 nm。综上，本研究建立了可同时制备绝缘、导电斜切(100) β-Ga₂O₃ 衬底的成套工艺，得到适配外延生长的邻晶台阶表面。

        ·首次针对铁掺杂绝缘、锡掺杂导电两种斜切(100) β-Ga₂O₃ 衬底，系统对比磷酸、HF、TMAH 三种刻蚀剂与多组退火工艺的表面效果；

        ·证实传统磷酸+氧气退火工艺不适用于 Fe/Sn 掺杂衬底，高氧压退火会析出 Si 杂质颗粒破坏台阶结构；

        ·明确退火温度 850–900℃、200 Torr 低压氩氛围是锡导电衬底最优方案，可抑制镓空位生成、保留导电性能；

        ·提出稀 TMAH 预刻蚀工艺，退火后衬底 S_q 粗糙度可低于 0.15 nm，优于 HF 刻蚀；

        ·阐明镓空位与 Si 杂质协同调控衬底台阶有序化机理，完成 MOCVD 外延验证，生长速率超 2 μm/h、外延层粗糙度 ~0.6 nm。

        本研究系统评估各类刻蚀、退火工艺，筛选出可制备平整、均一台阶-畴表面的方案，实现斜切(100) β-Ga₂O₃ 衬底的台阶流外延生长。研究特意选取可在常规 MOCVD/HVPE 设备中原位实施的退火参数，满足外延前在线预处理需求，分别针对铁掺杂绝缘、锡掺杂导电两类衬底开展工艺验证。实验证明：采用相同表面处理流程时，衬底掺杂类型会极大改变最终表面形貌。以往镁掺杂衬底通用的磷酸刻蚀+氧气退火工艺，应用于其他掺杂衬底会大幅提升表面粗糙度；高压力退火条件下会产生大量以硅为主的表面污染物。而采用适配的预处理参数，可得到轮廓清晰、台阶均匀的平整衬底表面。

        对于铁、锡掺杂两种斜切(100) β-Ga₂O₃ 衬底，850–900℃、200 Torr 下退火 60 min 均可形成规整台阶，表面均方根粗糙度低于 0.2 nm；铁掺杂绝缘衬底在氧气、氩气退火环境下均可获得优良表面，可根据外延工艺、镓空位调控需求灵活选择氛围。对于锡掺杂导电衬底，退火过程控制极低氧分压，既能形成完整台阶结构，又可维持衬底导电性能。酸性刻蚀后退火易造成表面粗糙，而铁、锡衬底均采用 TMAH 刻蚀时，退火后粗糙度可降至 0.15 nm 以下。利用本文开发的全套预处理工艺，在斜切(100)衬底上完成外延生长验证，外延速率大于 2 μm/h，外延层均方根粗糙度仅约 0.6 nm。

        总体研究表明：斜切 β-Ga₂O₃ 衬底的表面台阶生成与有序化机制，由镓空位浓度、可占据空位/形成缺陷复合体/沿空位扩散的杂质共同决定。通过调控影响镓空位生成与补偿的工艺变量，绝缘、导电两类斜切(100) β-Ga₂O₃ 衬底均可制备出适配外延生长的邻晶台阶表面。