【会员论文】APL丨日本NCT团队揭示 β-Ga₂O₃（0-1-1）HVPE 外延层多晶缺陷起源

        由 Novel Crystal Technology 的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Investigation of origin of polycrystalline defect in homoepitaxial (0-1-1) β-Ga₂O₃ layers grown by halide vapor phase epitaxy using synchrotron x-ray topography and energy-dispersive x-ray spectroscopy（利用同步辐射X射线形貌学和能量色散 X 射线光谱法研究通过卤化物气相外延法生长同质外延(0-1-1⁠) β-Ga₂O₃ 层中多晶缺陷的起源）的文章。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）是带隙约 4.8 eV 的超宽禁带半导体，临界击穿电场高达 8 MV/cm，是下一代功率器件核心候选材料，且可通过熔体法制备单晶，具备低成本规模化量产优势。目前商用器件主流采用(001)晶向 β-Ga₂O₃ 衬底，但该晶向 HVPE 外延层极易引入氯浅施主杂质，载流子浓度难以降至 8×10¹⁵ cm⁻³ 以下，限制高压功率器件性能。

        (0-1-1)晶向可有效抑制氯元素掺入，外延净施主浓度可低至 1×10¹⁵ cm⁻³，同时规避(001)外延常见表面凹坑，已有研究基于该晶向制备出击穿电压超 10 kV 的垂直晶体管。但(0-1-1) HVPE外延片全域存在多晶缺陷，密度可达 10²~10³ cm⁻² 量级，会严重恶化器件耐压与可靠性。

        现有研究尚未明确该类多晶缺陷的形成诱因，衬底位错、生长腔室污染均为潜在诱因；且(0-1-1)晶向各向异性生长更强、表面稳定性弱于(001)，更容易受外界微粒干扰产生多晶形核。因此本文采用同步辐射 X 射线形貌、SEM、EDS 等多表征手段，系统解析(0-1-1) β-Ga₂O₃ HVPE外延层多晶缺陷的来源，为缺陷抑制工艺提供理论依据。

        本文证实(0-1-1)晶向 β-Ga₂O₃ 是卤化物气相外延（HVPE）同质外延生长厚层、低施主浓度外延膜的理想晶向。汞电容-电压测试显示外延层净施主浓度区间为 4×10¹⁴~2×10¹⁵ cm⁻³，满足大功率器件应用需求。但新鲜生长的 HVPE 外延片全域均存在多晶缺陷，缺陷密度约 1.3×10² cm⁻²。同步辐射 X 射线形貌测试证明该类多晶缺陷并非由衬底位错诱发。光学显微镜观测发现多晶缺陷内部、外延层与衬底界面附近存在缺陷核心结构。截面能谱（EDS）表征进一步证实：来自生长腔石英侧壁的氧化硅（SiOₓ）污染物是多晶缺陷形成的根本诱因。

        ·首次针对(0-1-1)晶向 HVPE β-Ga₂O₃ 外延层多晶缺陷溯源，排除衬底原生位错作为缺陷诱因；

        ·结合共聚焦显微镜、截面 SEM、深度聚焦光学观测，定位多缺陷核心位于衬底/外延界面附近，证明缺陷在生长初期即形核；

        ·通过截面 EDS 表征直接观测到缺陷核心内 SiOₓ 杂质颗粒，明确腔室石英侧壁析出的 SiOₓ 污染是多晶缺陷源头；

        ·阐明(0-1-1)晶向生长各向异性更强、表面稳定性更低，更易受 SiOₓ 微粒扰动产生多晶形核，解释(001)/(0-1-1)不同晶向缺陷密度差异机理；

        ·验证(0-1-1)晶向 HVPE 外延可实现 4×10¹⁴~2×10¹⁵ cm⁻³ 超低施主掺杂，兼顾厚膜生长与高压器件需求。

        综上，本文证实(0-1-1)晶向 β-Ga₂O₃ 是 HVPE 同质外延制备低施主浓度厚外延层的优异材料体系。汞电容电压测试结果表明外延层施主浓度区间为 4×10¹⁴~2×10¹⁵ cm⁻³，适配大功率器件应用。但刚生长完成的HVPE外延片表面存在密度高达 1.3×10² cm⁻² 的多晶缺陷，会严重劣化器件性能。HVPE 生长前衬底同步辐射X射线形貌表征证明，该多晶缺陷并非由衬底位错诱导生成。光学显微镜观测到多晶缺陷中心存在核心结构，且该核心位于外延层与衬底界面附近。对缺陷核心区域开展截面 EDS 分析，检测到来源于腔体石英侧壁的 SiOₓ 杂质，判定该污染物是多晶缺陷形成的根本原因。上述研究结果表明，在 HVPE 生长过程中严格管控 SiOₓ 污染，是抑制(0-1-1)外延层多晶缺陷生成的关键手段。