【国际论文】俄罗斯Ioffe物理技术研究所：CVD 法生长 Ga₂O₃ 层同质外延中的挑战：化学、晶体学、结构

        由俄罗斯Ioffe物理技术研究所的研究团队在学术期刊 Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 发布了一篇名为 Challenges in homoepitaxy of Ga₂O₃ layers grown by CVD: Chemistry, crystallography, structure（CVD 法生长 Ga₂O₃ 层同质外延中的挑战：化学、晶体学、结构）的文章。

        β-Ga₂O₃ 具备 4.9 eV 超宽禁带、超高临界击穿电场与熔体可批量制备衬底的优势，是高压功率器件、日盲紫外探测器核心候选材料，同质外延薄膜是实现高性能垂直功率器件的关键功能层。化学气相沉积（CVD）包含 MOCVD、HVPE、雾相 CVD 等多条技术路线，兼具厚度可控、掺杂可调、适合大面积量产的特点，成为 Ga₂O₃ 同质外延主流制备方案。当前各类 CVD 工艺仍存在多项共性行业痛点：一是前驱体气相副反应难以抑制，碳、氢杂质易嵌入薄膜形成补偿缺陷，大幅降低载流子迁移率；二是不同晶向衬底表面能各向异性显著，外延过程易生成堆垛层错、孪晶、V 型杀伤缺陷，晶体完整性难以匹配体单晶衬底；三是 n 型 Si、Sn 掺杂调控成熟，但氮、镁等受主掺杂激活效率极低，难以实现有效 p 型导电；四是生长速率与薄膜结晶质量相互制约，高速生长易诱发三维岛状成核，低速工艺又无法满足厚漂移层量产需求。现有研究大多单独针对某一种 CVD 设备开展工艺优化，缺少覆盖多类 CVD 体系的系统性对比综述，未统一梳理衬底晶向、前驱体配比、掺杂、缺陷演化之间的内在关联，缺少完整的技术瓶颈总结与后续研究方向预判，形成明显研究空白。

        氧化镓是当代最具前景的超宽禁带半导体材料之一。制备结晶质量优异的导电外延层是大功率电子器件领域的一大难题。本综述梳理了采用 MOCVD、HVPE 以及雾相 CVD 实现厚单斜氧化镓薄膜同质外延生长的相关研究文献。结果表明，这三类工艺均可实现高生长速率与灵活掺杂调控，在低成本的同时兼顾优异晶体结构质量与优良电学特性。

        首次提供覆盖 MOCVD、HVPE、雾相 CVD 三类 Ga₂O₃ 同质外延工艺的完整系统性对比综述。

        阐明由 β-Ga₂O₃ 低指数晶面表面能各向异性主导的、随衬底晶向变化的外延生长模式演化规律。

        对 CVD 制备 Ga₂O₃ 外延层内全部主要扩展缺陷完成完整分类，并逐一阐释生成机理。

        系统总结 n 型/受主掺杂的电荷补偿机制，明确 Ga₂O₃ CVD 工业化发展现存核心未解决瓶颈。

        基于表面能评估可以认为，在具有较高表面能（Esurf）的晶面上进行同质外延生长能够获得更高的生长速率，这与图 2-2、图 3-2 和图 4-2 的结果一致。因此，（010）和（201）β-Ga₂O₃ 面具有优先生长能力。此外，在前者上生长的外延层具有最高的热导率、优异的晶体完整性和低缺陷密度，而后者则是体块生长的主表面。事实上，[010] 取向晶圆唯一的限制是由于 EFG 工艺特点导致的面积有限。因此，两者均适用于生长用于功率电子应用的高质量 Ga₂O₃ 同质外延层。而对于作为解理面且表面能较低的（100）和（001）衬底晶体，通过采用偏切角方法仍可在这些面上实现优异的同质外延结果。这两种衬底均可具有非常大的生长表面，偏切角的引入可以实现台阶流生长模式并抑制孪晶和堆垛层错的形成。[001] 取向同质外延层面临的严重问题是旋转畴的出现以及沿 [010] 方向的沟槽形貌伴随开裂。然而，后者可通过调整工艺参数或引入 In 表面活性剂在很大程度上得到解决。除上述取向外，（011）衬底也值得关注，因其被公认为所有常规取向中缺陷最少的，同样适用于开发半导体器件。

        此外，基于图 2-2、图 3-2 和图 4-2 可以发现，本综述讨论的每种 CVD 技术均"偏好"某一特定取向。MOCVD 同等地采用（100）和（010）面——MOCVD 在 [100] 取向衬底上尚未实现超过 1 μm/h 生长速率的同质外延，而 [010] 和 [201] 取向衬底的生长速率始终超过此值。[001] 取向虽生长速率适中，但似乎具有潜力。然而，HVPE 最常采用的 [001] 面同质外延薄膜明显含有多种缺陷。（010）面最常用于 Mist CVD 同质外延 Ga₂O₃ 生长，某些工艺中薄膜展现出高晶体完整性和非常光滑的表面形貌。

        对本综述所列出版物的分析旨在确认 CVD 技术能够制备高质量氧化镓同质外延层。可以认为，后者将有效地用作异质结构、功率电子学和光电子学的功能层。因此，可以构建复合层配置，发展具有原子级平整表面的可控形貌。对于存在高密度孪晶界、堆垛层错和其他缺陷（如穿透位错）的 Ga₂O₃ 晶面，这些缺陷可在同质外延层中得到抑制。最终，同质外延制备的层应具有比体块晶体更高的晶体完整性、更低的缺陷密度、更好的均匀性、更低的表面粗糙度、更优的光电子特性以及更低的成本。

        因此可以确认，所介绍的每种 CVD 生长技术在合理选择工艺参数的条件下，完全能够实现上述改进。借助这些技术，可以制备具有给定厚度和形状的高晶体完整性和光电子规格的低成本外延就绪层。基于上述分析，可以预测这些 CVD 方法在 Ga₂O₃ 生长中最具应用前景的领域：HVPE非常适合制备厚缓冲层和准体块衬底晶体；MOCVD 是开发多层异质结构的高级工业技术；Mist CVD 则是一种具有巨大潜力的新兴低成本技术。