【会员论文】浙江大学杨德仁院士联合镓仁半导体张辉教授团队：多孔Ga₂O₃及其通过电化学途径实现的缺陷选择性蚀刻

        由浙江大学杨德仁院士联合镓仁半导体张辉教授的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 Porous Ga₂O₃ and Defect Selective Etching via Electrochemical Path（多孔Ga₂O₃及其通过电化学途径实现的缺陷选择性蚀刻）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体（禁带宽度～4.8 eV），凭借高击穿场强、优异热化学稳定性、高 Baliga 优值，在功率器件、日盲紫外探测等领域极具应用价值。但其 Ga-O 键能极高，传统刻蚀需高温、高浓度酸或等离子体干法，易引入热应力、晶格损伤、新缺陷，难以实现室温下可控刻蚀与缺陷精准表征。电化学刻蚀依靠偏压驱动阳极溶解，无需高温与高能离子轰击，损伤更低，是解决 β-Ga₂O₃ 可控刻蚀与缺陷显示的理想方案，但相关研究仍不足。

        本研究系统研究了铸态生长 (100) 晶面 β-Ga₂O₃ 衬底在 85 wt% 磷酸中、刻蚀时间 20–60 min 范围内的电化学刻蚀行为，揭示了从多孔表面处理到缺陷选择性刻蚀的可调转变。在低阳极偏压下，刻蚀处于时间依赖的反应限制区，表面形成随机分布的孔洞；当偏压高于临界值 (~15 V) 时，室温下刻蚀呈现缺陷选择性，形成沿 [010] 方向排列的橄榄形表面蚀坑，与位错、空洞和应力集中区强相关。刻蚀过程由界面阳极溶解与磷酸盐沉积–去除的耦合动力学控制。该简单电化学策略可实现多孔结构化与缺陷显示，为衬底评估与器件工程提供新途径。

        · 室温下实现 β-Ga₂O₃(100) 晶面电化学多孔刻蚀，获得均匀纳米多孔结构，低损伤且不劣化电学性能。

        · 突破临界偏压 (~15 V) 实现室温缺陷选择性刻蚀，精准区分空洞、应力、位错三类晶体缺陷。

        · 阐明阳极溶解与磷酸盐沉积–去除的耦合动力学，解释多孔到缺陷选择性刻蚀的形貌转变机制。

        · 刻蚀活化能仅 0.073 eV，远低于传统湿法刻蚀，工艺温和、可控性强。

        该团队开发了一种基于磷酸的电化学刻蚀方法，能够在室温下高效刻蚀 β-Ga₂O₃ 的 (100) 表面。当施加偏压低于阈值电压 (~15 V) 时，形成多孔表面形貌；当施加偏压超过阈值电压时，缺陷位点的优先溶解主导无缺陷区域，形成缺陷选择性刻蚀形貌。三种蚀坑 (I 型、II 型、III 型) 分别与空洞、应力和位错相关。20 V 下 (100) 表面刻蚀活化能为 0.073 eV。与传统湿法刻蚀相比，该电化学方法缺陷显示更清晰，工艺简便可调，同时减轻高温应力效应。电学表征进一步证明本工艺的低附加损伤特性，霍尔输运参数几乎不变，SBD 器件反向漏电流降低。该团队进一步提出刻蚀形貌转变源于阳极溶解与磷酸盐沉积之间的竞争 / 耦合。总之，本工作建立了一种可靠的基于磷酸的 β-Ga₂O₃ 电化学刻蚀路线，刻蚀表面形貌可通过施加偏压有效调控。证明的电压控制从多孔刻蚀到缺陷选择性刻蚀的转变为器件结构开发提供实用平台，并为 Ga₂O₃ 衬底的缺陷可视化、评估和分析提供新途径，其在有源器件制造和表面工程中的潜力需要进一步研究界面态控制和磷酸盐残留管理。

        国家重点研发计划 (2024YFE0205300)、国家自然科学基金 (22205203)、浙江省博士后科研项目择优资助 (ZJ2024079)、浙江省自然科学基金 (LZ25E070001)、国家高层次青年人才计划、杭州市领军型创新创业团队引进计划 (TD2022012)

图 1 10 V 下不同刻蚀时间 (100) 晶面 β-Ga₂O₃ 表面多孔刻蚀形貌的 OM 图像：(a) 20 min、(b) 40 min、(c) 60 min；(d) 刻蚀 60 min 后纳米多孔结构的高倍 SEM 图像

图 2 室温 10 V 偏压下在 85 wt% 磷酸中电化学刻蚀后 (100) 晶面 β-Ga₂O₃ 表面的微结构与元素分析。(a) 截面 STEM 图像；(b)(a) 中点 1 与点 2 的 EDS 能谱；(c)(a) 中红色框区域的明场 TEM 图像；(d) 高倍 TEM 图像及 (e, f)(d) 中 Ga 与 O 的 EDS 元素面分布

图 3 20 V 电化学刻蚀制备的 (100) 晶面 β-Ga₂O₃ 蚀坑形貌表征。(a) 刻蚀表面的整体 OM 图像；显示不同类型蚀坑的 SEM 图像：(b) 空洞相关蚀坑、(c) 应力相关蚀坑、(d) 位错相关蚀坑

图 4 (a)(100) 晶面 β-Ga₂O₃ 衬底上 I 型蚀坑的截面 STEM 图像；(b) 底部空洞的放大 TEM 图像；(c)(d) 分别为 (b) 中左侧 (L) 和右侧 (R) 区域的选区电子衍射 (SAED) 图谱

图 5 (a) II 型蚀坑的截面 STEM 图像；(b) 红色方框标记区域的高分辨 HAADF STEM 图像；(c) 对应的 GPA 图像

图 6 (100) 晶面 β-Ga₂O₃ 衬底上缺陷相关刻蚀结构的 STEM 与 TEM 图像。(a) 低倍 STEM 图像；(b)(a) 中红色框区域的放大 TEM 图像；(c, d) 分别在 g=200 与 g=020 衍射条件下获得的 STEM 图像

图 7 电化学刻蚀过程中 (100) 晶面 β-Ga₂O₃ 衬底的电压与温度依赖刻蚀行为。(a) 室温下刻蚀速率随外加电压的变化；(b) 20 V 偏压下刻蚀速率的温度依赖关系；(c) 由 20 V 时温度依赖刻蚀速率得到的刻蚀速率 Arrhenius 图