【会员论文】CGD|山东晶升电子&武汉理工&西安理工&九峰山实验室团队解析氧化镓雾化化学气相沉积外延技术进展:生长机制、晶相调控与产业化挑战

        由山东晶升电子科技有限公司总经理乔晓杰、西安理工大学胡继超教授、湖北九峰山实验室首席专家魏强民、武汉理工大学章嵩教授、孙在春副教授等人联合内蒙古工业大学高洁博士、福州大学袁思成副教授、印尼艾尔朗加大学的研究团队在学术期刊Crystal Growth & Design发布了一篇名为Recent Advances in the Mist Chemical Vapor Deposition of Ga₂O₃ Thin Films（雾化化学气相沉积法制备Ga₂O₃薄膜研究进展）的文章。

        Ga₂O₃作为超宽禁带半导体，具备4.7–5.6 eV宽禁带、8 MV/cm超高理论击穿场强，在日盲紫外探测、高压功率器件领域具备不可替代应用价值。当前主流外延手段如MOCVD、MBE、HVPE均依赖真空腔体，设备造价高、量产成本昂贵，难以实现大面积工业制备。雾化化学气相沉积（Mist CVD）采用常压无真空体系，设备与前驱体成本低廉、前驱体溶液可调范围广，是低成本规模化生长各类Ga₂O₃多晶型薄膜的核心路线。Ga₂O₃存在α、β、γ、δ、ε/κ五种物相，不同晶型电子结构、光学各向异性差异巨大，但雾化沉积体系中物相精准调控、界面缓冲层抑制、面内旋转畴消除、杂质空位控制等关键机制缺乏系统性综述。本文系统梳理雾化CVD设备构型、生长热力学动力学规律，总结晶相工程、结晶度与表面形貌优化、缺陷杂质管控、大面积外延、器件应用五大方向现有成果，剖析当前产业化瓶颈，为低成本Ga₂O₃外延薄膜规模化制备提供完整理论与工艺参考。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为新型超宽禁带半导体，具备高击穿电压、优异热稳定性与化学稳定性，在高压功率器件、深紫外光电探测领域具备巨大应用潜力。要实现其实用化，亟需低成本、可大面积制备的薄膜生长技术。在此背景下，雾化化学气相沉积（Mist CVD）凭借常压无真空运行、设备与前驱体成本低、工艺窗口宽、溶液化学可调控等优势，成为Ga₂O₃外延生长重要技术路线。本文综述雾化CVD的设备构型与沉积机理，系统梳理Ga₂O₃可控外延领域最新研究进展，涵盖晶相工程、结晶度与表面形貌调控、杂质与缺陷抑制、界面缓冲层管控、面内旋转畴消除、大面积快速外延及对应器件应用，同时讨论晶圆级均匀异质外延、工业化集成面临的挑战与发展前景。本综述系统拆解现有技术瓶颈，为高质量Ga₂O₃外延薄膜的可控合成提供变革性思路，为基于雾化CVD的下一代超宽禁带半导体功率与光电器件搭建清晰发展路线。

        ①首次完整综述Mist CVD生长全流程热力学、动力学机理，区分立式热壁、细通道、线性源三类设备构型优缺点，系统阐释莱顿弗罗斯特液滴生长核心机制；

        ②完整归纳α、β、γ、δ、ε/κ五类Ga₂O₃物相在雾化体系的可控生长策略，明确温度、衬底、掺杂、前驱体四大晶相调控核心变量；

        ③分类总结同源/异质缓冲层、衬底偏切、元素掺杂三类抑制面内旋转畴的工艺方案，给出单畴Ga₂O₃薄膜可实现路径；

        ④系统梳理碳残留、氧空位两类本征/外来杂质的生成机理与消除手段，完整对比卤化物、乙酰丙酮类不同前驱体的杂质控制效果；

        ⑤总结晶圆级大面积均匀外延优化方案，梳理Mist CVD制备日盲光电探测器、肖特基功率二极管、类脑铁电器件的性能优势与现存短板，指明工业化优化方向。

        综上，雾化化学气相沉积（Mist CVD）是极具发展前景的Ga₂O₃薄膜外延生长技术。该技术常压无真空运行，具备成本优势、前驱体适配性强、可适配工业晶圆量产等突出特点。近年来，科研人员在α、β、γ、δ、ε/κ多晶型选择性外延、薄膜结晶度与表面形貌提升、碳杂质与氧空位抑制、界面缓冲层调控、旋转畴消减，以及大面积外延初步探索方面取得大量进展，使雾化CVD成为工业化制备Ga₂O₃薄膜核心备选工艺，为其在功率器件、深紫外光电探测器领域的应用提供有力支撑。要推动雾化CVD从实验室研究走向商用半导体平台，需攻克三大核心难题：彻底消除碳杂质并实现稳定可控施主激活；依托先进衬底与缓冲层工程，在晶格失配衬底上实现单畴外延；开发适配4–6英寸晶圆的大面积喷淋式腔体，实现厚度与组分均匀生长。结合流体动力学仿真、机器学习工艺优化，雾化CVD将充分释放低成本Ga₂O₃器件在高压电网、日盲探测体系中的应用潜力。

        本研究得到国家自然科学基金（52402200、52272161）、湖北省科技计划项目（2025CSA020）、潮州市陶瓷产业人才振兴专项（GXYJ001）、2024 内蒙古工业大学新能源装备运行机械问题战略重点项目（DC2400003362）资助。