【知识探索】氧化镓全景解读 | 外延产业化：HVPE与MOCVD的技术突破与现实挑战

        上一期，我们从外延的基本概念出发，介绍了β-Ga₂O₃外延层在调控漂移区厚度、载流子浓度和器件电场分布方面的重要作用。外延技术连接着单晶衬底与功率器件，是β-Ga₂O₃材料性能转化为器件性能的关键环节。

        然而，从实验室中获得一层高质量薄膜，到稳定制造大尺寸、低缺陷且掺杂均匀的器件级外延晶圆，中间仍存在不小的距离。尤其面向高压功率器件，外延工艺不仅要保证晶体质量，还需要同时满足厚膜生长、低载流子浓度、片内均匀性、表面平整度以及生产效率等多方面要求。

        在众多β-Ga₂O₃外延技术中，卤化物气相外延(HVPE)与金属有机化学气相沉积(MOCVD)被视为最具产业化潜力的两条路线。HVPE具有较高的生长速率，适合制备高压垂直器件所需的厚漂移层；MOCVD则在掺杂、组分和界面控制方面更具优势，适合构建精细的器件功能层。二者分别代表了外延制造中“高效增厚”与“精准调控”的不同技术方向。

        本期，我们将进一步聚焦β-Ga₂O₃同质外延的产业化进程，梳理HVPE与MOCVD在生长速率、衬底取向、杂质与缺陷控制、掺杂调节及器件验证等方面的研究进展。

图1. 氧化镓基材料与器件的制造流程^[1]

        实验室研究通常更关注单个样品的生长速率、表面粗糙度和X射线衍射半峰全宽，而面向产业化，则需要同时回答更多问题：外延层能否在大尺寸晶圆上保持厚度与掺杂均匀？缺陷密度能否稳定控制？不同批次之间能否重复？生长效率能否覆盖设备、原料和后处理成本？外延片又能否直接进入器件制造流程？β-Ga₂O₃外延技术的竞争，已经逐渐从单项指标的突破，转向生长速率、材料质量、工艺稳定性和制造成本之间的综合平衡。

        目前，HVPE和MOCVD分别沿着两条不同路径推进产业化：HVPE侧重以更高效率制备厚漂移层，MOCVD则侧重通过精确的流量和界面控制实现器件级功能结构。

        HVPE通常以GaCl等卤化镓作为气相镓源，与O₂在高温衬底表面反应生成β-Ga₂O₃。相较金属有机前驱体，卤化物反应路径较为直接，原料成本相对较低，并具有较高的物质输运效率，因此特别适合制备数十微米厚的外延层。

        对于千伏级以上垂直器件，漂移层厚度往往需要达到10 μm甚至更高。若生长速率过低，单片外延时间和设备占用成本将快速上升。因此，HVPE在厚膜制造方面具有天然优势，常规生长速率可达到5~10 μm/h，在部分优化工艺中还可提高至数十微米每小时^[2-4]。

        不过，产业化并不意味着单纯追求最高生长速率。对于传统GaCl-O₂体系，提高前驱体分压虽然有利于提升生长速率，但也会增加气相寄生反应生成多晶Ga₂O₃颗粒的风险。颗粒落至外延表面后，可能诱发异常生长并破坏局部表面形貌^[3,5]。与此同时，大尺寸外延还需要进一步解决膜厚、载流子浓度和表面形貌的片内均匀性问题。

        β-Ga₂O₃具有明显的晶体各向异性。不同晶面上的原子排列、表面能、吸附能力和台阶传播速度存在较大差异，因此衬底取向会直接影响生长速率、表面形貌及缺陷演化。

        目前，（001）取向具有较成熟的大尺寸衬底供应基础，是β-Ga₂O₃ HVPE产业化的重要方向。但该取向的外延表面容易形成沿[010]方向延伸的条纹状沟槽^[6]，部分缺陷还与衬底位错的继承有关，表面形貌和器件良率仍有待进一步改善。同时，（-201）、（100）和（011）等晶面取向的外延也取得了持续进展。

图2. （001）β-Ga₂O₃衬底上生长8 μm厚HVPE同质外延层后的NDIC显微形貌^[6]

        据报道，采用HCl基HVPE生长（011）β-Ga₂O₃时，生长速率可达到约14 μm/h，约为相同体系下（001）取向生长速率的60%，同时较早期Cl₂基工艺提高约5～7倍，并明显减少表面多晶颗粒^[3]。

        不同取向的研究，不仅是为了寻找更高的生长速率，也是在探索晶面、缺陷传播方向和器件结构之间的最佳匹配关系。

        HVPE外延过程中，生长温度、反应压力、O₂/Ga比及前驱体流量共同影响气相输运、表面反应和原子迁移行为。不同参数之间相互关联，单独提高温度、压力或原料供给，并不一定能够同步改善生长速率和外延质量。因此，生长条件优化的核心，是在沉积效率、表面形貌、晶体质量和杂质控制之间建立稳定的工艺窗口。

        生长温度决定了HVPE反应能够稳定进行的基本窗口。温度过低时，GaCl与O₂的表面反应不充分，吸附原子的迁移能力受限，容易形成三维岛、颗粒和粗糙表面；温度过高时，Ga₂O等挥发性亚氧化物的生成与脱附增强，可能降低有效沉积速率，并引起衬底表面分解、界面失稳和缺陷增加。因此，温度优化需要同时兼顾气相反应效率、表面扩散和高温脱附。

图3.不同生长温度（左800 ℃、右1000 ℃）下（001）β-Ga₂O₃ HVPE同质外延层的NDIC表面形貌。^[7]

        Ⅵ/Ⅲ比及前驱体供给共同影响GaCl-O₂体系的反应驱动力、局部过饱和度和传质过程^[8,9]。氧供给不足时，镓源可能无法充分氧化，使生长环境偏向氧贫，并增加非化学计量及相关缺陷形成的风险。提高O₂/GaCl比有助于维持充分氧化，但过高的氧化剂分压，特别是在较高GaCl分压、反应压力或较长气相停留时间下，也可能增强前驱体气相预反应，影响镓源向衬底的有效输运和利用率。另一方面，在一定供给范围内，提高GaCl分压能够增加生长速率；但过高的反应物浓度可能促进气相颗粒形成及其向生长表面的输运，进而引起表面缺陷和形貌劣化。因此，Ⅵ/Ⅲ比并非越高越好，其最佳范围需要与温度、压力、前驱体绝对分压、总流量及反应器结构协同匹配。

        反应压力进一步调节原料停留时间、传质效率和表面生长模式。据报道，在（001）β-Ga₂O₃同质外延中，当压力由6.06×10⁴ Pa降低至1.01×10⁴ Pa时，生长速率由10.1 μm/h下降至2.1 μm/h。作者认为，随着生长压力降低，GaCl和O₂等源气体的分压随之下降，单位时间内参与表面反应的有效反应物通量减少，因而外延生长速率降低。但适度降低压力也能够减弱气相副反应和颗粒生成，改善反应物向衬底表面的输运，使表面生长条纹更加连续、细密，生长模式逐渐由三维岛状生长向二维台阶流生长转变。在2.02×10⁴ Pa条件下，外延层XRD摇摆曲线半峰全宽达到30.2″，接近衬底的28.9″。因此，降低压力虽然会因反应物分压下降而牺牲部分生长速率，但能够抑制气相预反应和颗粒缺陷，并改善外延层表面形貌与晶体质量。

图4. 衬底和不同生长压力条件下制备的β-Ga₂O₃外延膜(001)面XRD摇摆曲线^[10]

        气体流场与反应器结构决定了上述工艺条件能否在大尺寸晶圆上均匀实现。即使中心区域具有合适的温度、VI/III比和压力，若晶圆不同位置的边界层厚度、前驱体浓度或气体停留时间存在明显差异，仍可能造成厚度、表面形貌和掺杂的不均匀。因此，面向产业化，还需要重点优化反应器内温度场、浓度场和流场分布，降低晶圆中心与边缘以及不同批次之间的波动。

        传统Cl₂-HVPE通常先利用Cl₂与液态Ga反应生成GaCl，再将GaCl输送至生长区，与O₂反应形成β-Ga₂O₃^[3,7]。该路线反应活性高、原料成本相对较低，适合快速生长厚外延层，然而，在较高前驱体分压下，GaCl与O₂可能在到达衬底前发生寄生气相反应，生成多晶Ga₂O₃颗粒。这些颗粒沉积到外延表面后可能干扰正常单晶生长，形成多晶颗粒、局部凸起或异常生长区域，并降低外延层晶体质量^[3,11]。

        HCl基HVPE采用HCl与金属Ga反应生成GaCl，并伴随H₂生成。该体系还可在生长区额外引入适量HCl，通过调节生长—刻蚀平衡并刻蚀寄生Ga₂O₃沉积物，降低气相颗粒形成及寄生沉积的风险。不过，HCl路线仍属于含氯且伴随含氢副产物的化学体系，Cl并入、石英反应器相关的Si污染，以及腐蚀性气体的设备兼容性和尾气处理仍需通过温度、流量及反应器结构进行控制^[3,12,13]。

        另一条新兴路线是以GaCl₃为直接镓源的三卤化物气相外延，即THVPE。该方法不再依赖Cl₂或HCl在反应器内部持续氯化金属Ga，而是将预先制备的GaCl₃输送至生长区，从而简化金属源区反应，并有望降低源区颗粒生成和供料波动。已有研究表明，THVPE可实现数十微米每小时的高速生长，显示出制备厚漂移层的潜力^[14]。

        HVPE外延层中的典型背景杂质包括Cl、N和Si。其中，Cl主要来自卤化物前驱体，N可能与腔室背景和工艺气氛有关，Si则往往来源于高温条件下石英反应器部件的释放。

        研究表明，通过提高O₂分压、增大输入Ⅵ/Ⅲ比^[10]，可使HVPE生长β-Ga₂O₃外延层中的非故意N杂质浓度由约8×10¹⁶ cm^-3降低至约1×10¹⁶ cm^-3。已有缺陷光谱与第一性原理研究表明，N可替代β-Ga₂O₃中的O位点形成深受主缺陷，且N占据O(III)位点的构型较为稳定^[15]。因此，提高氧化学势可能通过降低N替位氧位点的形成和并入概率来抑制N进入晶格。对于Si杂质，含氢物种与高温石英反应器壁之间的反应可能造成Si释放，可通过降低反应器壁面温度、减少石英部件暴露或采用内衬结构加以控制。

        除杂质外，HVPE外延中还可能出现颗粒诱发缺陷、深坑、线状缺陷、位错和局域多晶区域。这些缺陷即使面积占比较低，也可能在器件中形成反向漏电通道，显著降低击穿电压和晶圆良率。

        此外，HVPE厚膜表面通常较为粗糙，往往需要经过化学机械抛光（CMP）后才能进入器件制造。CMP虽然可以获得平整表面，但也可能引入亚表面损伤、磨料残留和片内厚度偏差。因此，对于产业化HVPE而言，外延和CMP并不是两个独立环节，而应作为一套连续工艺进行协同优化。

        已有研究采用约13 μm厚的HVPE生长β-Ga₂O₃漂移层制备p-NiOₓ/β-Ga₂O₃异质结二极管，实现了8.32 kV的击穿电压^[16]。进一步采用约17-18 μm厚、净载流子浓度约为 8.8×10¹⁵ cm⁻³ 的漂移层，并结合双层SiNₓ/SiO₂边缘终端结构，直径100 μm器件的击穿电压提高至13.5 kV，平均临界击穿场达到约7.4-9.4 MV/cm^[17]。

        这些结果表明，HVPE已经能够提供十千伏级β-Ga₂O₃器件所需的厚、低掺杂漂移层。但器件性能不仅取决于外延厚度，还受到载流子浓度及其均匀性、缺陷与陷阱分布、器件面积和终端结构的共同影响。随着器件面积增大，局部缺陷和泄漏通道被包含在有源区内的概率上升，击穿电压和器件良率通常更难保持。因此，从小面积器件的极限性能走向大面积、高良率和长期可靠的产品，仍需进一步解决晶圆级外延均匀性、缺陷控制等问题。

图5. 基于HVPE外延的氧化镓器件结构及性能^[16]

        MOCVD生长β-Ga₂O₃常用的镓源主要包括三乙基镓（TEGa）和三甲基镓（TMGa）。

        TEGa是早期研究中较常用的前驱体，其工艺控制相对成熟，常规生长速率约为0.2~1.0 μm/h^[18]，但难以满足高效率厚膜制造需求。

        TMGa具有更高的蒸气压和更强的高速生长潜力。通过提高TMGa供给并优化氧气流量，MOCVD生长速率可达到4~8 μm/h，部分研究中甚至接近10 μm/h^[19,20]，使MOCVD与HVPE之间的速率差距逐渐缩小。

        TMGa高速生长通常伴随较高的甲基来源C杂质并入风险。当有机配体及其分解产物未被充分氧化时，C可能残留于外延层，并以不同占位或C-H复合体形式影响载流子补偿和输运性能。提高O₂流量和O/Ga比能够促进含碳物种氧化并抑制C并入。研究表明，将O₂流量提高至2000 sccm后，外延层C浓度可由约10¹⁸ cm⁻³ 降至低于5×10¹⁶ cm⁻³，并在约4.5 μm/h的生长速率下获得最高约190 cm²·V^-1·s^-1的室温电子迁移率^[19]。

图6. β-Ga₂O₃外延层中C、H和Si掺入浓度与TMGa摩尔流量的关系^[20]。

图7. TMGa高速生长（010）β-Ga₂O₃外延层室温霍尔迁移率与电子浓度的关系^[19]

        MOCVD可以通过快速、精确地调节气体流量，实现外延层中掺杂浓度和掺杂分布的动态控制。

        Si是β-Ga₂O₃中最常用的浅施主。通过调节硅源与镓源的比例，可以在较宽范围内控制Si掺杂浓度及净载流子浓度，并实现漂移层、接触层和阶梯掺杂结构。研究表明，在由约200-400 nm厚子层组成的多层标定结构中，通过分段调节硅源供给，可使Si浓度沿外延生长方向形成清晰的平台式或阶梯式分布^[19]。

        这一能力对器件制造十分重要。例如，高压器件需要低掺杂漂移层以承担电场，同时又需要高掺杂接触层降低欧姆接触电阻。MOCVD能够在同一次外延过程中完成不同功能层的连续生长，从而减少界面污染和工艺转移。

图8. （a）由不同氧源流量条件下Si掺杂层与UID层交替构成的β-Ga₂O₃多层SIMS样品结构

（b）样品中C、H和Si浓度的SIMS深度分布^[19]。

        MOCVD中的非故意掺杂主要与H、C和Si有关。H可能作为浅施主参与导电，也可能与C形成复合物并产生补偿效应。间隙H可表现为浅施主，而C的电学作用具有明显的占位依赖性^[21]；TMGa-MOCVD实验进一步表明，H与C形成相关复合体后可钝化部分C相关补偿^[22]，而非简单引入额外补偿。因此，室温霍尔测得的载流子浓度仅反映施主、受主和陷阱共同作用后的净结果，不能直接等同于材料纯度。对背景杂质及其电学作用的判断，需要结合SIMS、变温霍尔以及DLTS、DLOS等深能级谱学测试进行综合分析。

        在优化的MOCVD外延层基础上，β-Ga₂O₃垂直肖特基势垒二极管已实现多千伏耐压。

        采用台面终端辅助的部分悬空场板结构，器件实现了3.45 kV击穿电压和3.88 mΩ·cm²比导通电阻，功率优值达到3.07 GW/cm²。对应外延层XRD摇摆曲线半峰全宽约54″，表面RMS粗糙度约3.19 nm，霍尔迁移率约150 cm²/V·s^[23]。

        这一结果说明，MOCVD已经能够提供满足高压器件要求的外延材料。但相较HVPE，MOCVD在制备十几至数十微米厚漂移层时，仍面临生长时间长、前驱体成本高以及厚膜应力和开裂等问题。

图9. 氧化镓SBD器件的结构及电学性能^[23]

        β-Ga₂O₃同质外延正在从单点性能突破逐步进入工程化和规模制造阶段。

        HVPE凭借较高的生长速率，在厚漂移层和万伏级器件方面展现出明显优势；MOCVD则依靠对掺杂、层厚和界面的精细调控，为复杂器件结构及功能层的一体化生长提供了更大空间。

        然而，产业化最终比拼的并不是某一片外延样品的最高生长速率或最小XRD半峰全宽，而是在大尺寸晶圆上能否长期稳定地实现低缺陷、低杂质、厚度均匀和掺杂可控，并进一步转化为可重复的器件性能与制造良率。

        未来，HVPE与MOCVD或将不再沿着彼此竞争的路线独立发展，而是与衬底加工、CMP、界面处理和器件终端技术形成更加紧密的协同。

        当“高效厚膜”与“精准结构”真正实现融合，β-Ga₂O₃从材料优势走向功率器件产业化的关键链条，才有望进一步打通。

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