【国际论文】德国莱布尼茨晶体生长研究所周大顺研究员团队：关于金属有机气相外延同质外延（001）β-Ga₂O₃ 在轴向与 6° 偏轴衬底上的形貌研究

        由德国莱布尼茨晶体生长研究所周大顺研究员的研究团队在学术期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 发布了一篇名为 Morphology investigation of metalorganic vapor phase epitaxy homoepitaxial (001) β-Ga₂O₃ growth on on-axis and 6° off-axis substrates（关于金属有机气相外延同质外延（001）β-Ga₂O₃ 在轴向与 6° 偏轴衬底上的形貌研究）的文章。

        随着功率电子器件向高效能和小型化发展，β-Ga₂O₃（氧化镓）凭借其 4.9 eV 的超宽带隙和 8 MV/cm 的高击穿电场强度，成为极具潜力的第四代半导体材料 。相较于 SiC 和 GaN 等第三代半导体，β-Ga₂O₃ 的显著优势在于其能够通过低成本、高效率的标准熔体法（如 CZ 法、EFG 法）生长出大尺寸单晶 。在多种外延技术中，金属有机气相外延（MOVPE）因其良好的可扩展性在商业化应用中备受关注，但目前的研究大多集中于 (100) 和 (010) 晶面，针对 (001) 晶面的系统性研究仍十分有限 。由于 (001) 晶面不仅支持大尺寸晶圆生长，还具备特殊的解理特性，本研究旨在借鉴 (100) 晶面的成熟生长策略——即通过引入切角和精细调节 Ga 过饱和度，探索并优化 (001) 晶面的同质外延生长形貌，以解决该晶面在外延过程中面临的双晶形成、表面粗糙及原子扩散受限等关键技术挑战。

        该团队采用金属有机气相外延（MOVPE），通过分子流量比 O₂/Ga 调控 Ga 过饱和度，研究了（001）β-Ga₂O₃ 在轴向与朝 [-100] 方向 6° 偏轴衬底上的同质外延形貌。生长条件参考已建立的（100）β-Ga₂O₃ 朝 [00-1] 方向 4° 偏轴衬底的台阶流生长模型。研究发现，（001）β Ga₂O₃ 衬底的人为偏切有助于形成沟槽形貌，但无法避免（-401）孪晶；800 ℃ 下提高 Ga 过饱和度会使偏轴（001）衬底上外延膜呈沟槽形貌，而轴向（001）衬底上则形成岛状结构；在相同 Ga 过饱和度范围、700 ℃ 条件下，轴向（001）衬底上仅获得多台阶阵列，表明岛状结构被抑制。该团队引入各向异性动力学生长模型解释沟槽取向，上述形貌部分归因于（100）孪晶面。

        ● 采用 MOVPE 研究（001）β-Ga₂O₃ 在正轴与朝 [-100] 6° 偏轴衬底上的同质外延表面形貌。

        ●发现衬底偏切可促进沟槽形貌，但无法消除（-401）孪晶。

        ●800 ℃ 提高 Ga 过饱和度，偏轴（001）衬底上形成沟槽，正轴（001）衬底上形成岛状结构。

        ●将生长温度降至 700 ℃，可抑制正轴（001）衬底上岛状结构并获得多台阶阵列。

        ●提出各向异性动力学生长模型，解释沿 [010] 方向的沟槽取向。

        该团队将适用于（100）4° 偏轴 β-Ga₂O₃ 衬底台阶流模式的 MOVPE 工艺，应用于沿 [-100] 方向 6° 偏切的（001）β-Ga₂O₃ 同质外延，研究沿（010）晶面择优取向的沟槽形貌。结果表明，（001）β-Ga₂O₃ 衬底偏切可促进沟槽台阶形貌形成，但无法避免（-401）孪晶。800 ℃、高 Ga 过饱和度（O₂/Ga 分子流量比 = 164、136）条件下，6° 偏轴（001）衬底上形成沟槽形貌，而正轴（001）衬底上形成岛状结构；降低温度至 700 ℃ 可抑制岛状结构并形成多台阶阵列，表明正轴（001）衬底上趋于台阶流生长模式。该团队提出结合表面能与吸附原子迁移率的各向异性动力学模型，解释沿（010）方向的择优沟槽取向，所得形貌同样可归因于（100）孪晶面的存在。

图 1. 800 ℃ 下生长的 6° 偏轴（001）β‑Ga₂O₃（a–c）与轴向（001）β‑Ga₂O₃（d–f）的 5 μm 尺度 AFM 形貌表征。（a）O₂/Ga 分子流量比为 195 的样品 D；（b）O₂/Ga 分子流量比为 164 的样品 E；（c）O₂/Ga 分子流量比为 136 的样品 F；（d）O₂/Ga 分子流量比为 195 的样品 G；（e）O₂/Ga 分子流量比为 164 的样品 H；（f）O₂/Ga 分子流量比为 136 的样品 I。

图 2. 同质外延（001）β‑Ga₂O₃ 表面沟槽条纹与岛状结构可能的形成机理示意图。

图 3. 700 ℃ 下轴向（001）衬底上同质外延 β‑Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 形貌表征。（a）O₂/Ga 分子流量比为 195 的样品 J；（b）O₂/Ga 分子流量比为 164 的样品 K；（c）O₂/Ga 分子流量比为 136 的样品 L。

图 4. 外延生长中孪晶缺陷的潜在形成及其机理。（a）6° 偏轴（001）β‑Ga₂O₃ 同质外延薄膜 SEM 图（样品 D）；（b）（001）β‑Ga₂O₃ 样品外延生长前后（偏轴样品 F、轴向样品 J）的 2θ–ω 扫描；（c）双定位示意图。

图 5. 6° 偏轴（001）β‑Ga₂O₃ 衬底（a–c）与生长后样品 M（d–f）的极图及对应衍射峰。（a）、（d）{201} 极图；（b）、（e）{002/-202} 极图；（c）、（f）{-402/202} 极图。

DOI：

doi.org/10.1116/6.0005323