【会员论文】JCG丨九峰山实验室首席专家魏强民团队采用 GaCl₃ 前驱体化学调控 β-Ga₂O₃ HVPE 外延：晶体质量与晶圆电学均匀性同步提升

        由华中科技大学、九峰山实验室首席专家魏强民、刘兴林博士的研究团队在学术期刊 Journal of Crystal Growth 发布了一篇名为 Thermodynamic Analysis and Experimental Demonstration of β-Ga₂O₃ Homoepitaxy Using GaCl₃ Precursor（基于 GaCl₃ 前驱体的 β-Ga₂O₃ 同质外延热力学分析与实验验证）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具备约 4.8 eV 的禁带宽度与极高理论击穿场强，在下一代大功率电子、深紫外光电器件领域拥有巨大应用潜力。氢化物气相外延（HVPE）生长速率高，适合制备厚 β-Ga₂O₃ 漂移层，是垂直功率器件外延的优选工艺。

        传统 HVPE 采用 GaCl-O₂ 前驱体体系，但该体系热力学驱动力过高，气相过饱和度大，极易发生寄生均相成核反应，产生颗粒缺陷，引入位错、层错等结构缺陷，劣化外延层结晶质量，造成晶圆内部器件电学性能均匀性差，制约大功率器件的实现。

        为抑制寄生气相反应，改变气相化学反应环境是可行思路。有研究提出使用 GaCl₃ 作为 Ⅲ 族前驱体替代 GaCl，但该体系下气相反应热力学机制、缺陷抑制效果、杂质掺入行为仍缺少系统完整的研究。本文针对 GaCl₃-O₂ 体系开展热力学计算与系列实验表征，探究前驱体化学调控对 β-Ga₂O₃ 同质外延薄膜质量与器件电学一致性的影响。

        β-Ga₂O₃ 的氢化物气相外延（HVPE）工艺受限于传统 GaCl-O₂ 体系高过饱和度诱发的寄生气相反应，会影响结晶质量与器件均匀性。本文研究 GaCl₃-O₂ 前驱体体系，用于调控气相生长环境。热力学分析表明，GaCl₃-O₂ 体系中 β-Ga₂O₃ 的生成主要依靠副产物 GaCl 与 O₂ 的反应。与此同时，副产物 Cl₂ 的积累会将 GaCl-O₂ 的反应平衡向反应物方向移动，降低热力学驱动力。该效应可以缓和气相过饱和度，减少寄生气相反应。对比传统 GaCl-O₂ 工艺，基于 GaCl₃ 的生长方式提升了 β-Ga₂O₃ 外延层结晶质量，将（002）X 射线衍射摇摆曲线半高宽（FWHM）从 110.97 arcsec 降低至 45.70 arcsec。拉曼光谱与二次离子质谱（SIMS）证实薄膜结构无序程度降低，并且氯元素的体相掺入水平很低。此外，整片晶圆制备的垂直肖特基势垒二极管电学均匀性得到提升，在 −50 V 下反向漏电流密度低于 10⁻⁸ A/cm²。本研究表明，前驱体化学调控是控制过饱和度、改善 β-Ga₂O₃ 外延层质量与均匀性的有效手段。

        ① 针对 GaCl₃-O₂ HVPE 体系开展完整热力学平衡计算，阐明级联反应机制：GaCl₃ 分解生成 GaCl，产物 Cl₂ 累积反向抑制反应驱动力，实现气相过饱和度的主动调控。

        ② 实验对比 GaCl-O₂ 与 GaCl₃-O₂ 两套体系，GaCl₃ 工艺将（002）摇摆曲线 FWHM 由 110.97 arcsec 降至 45.70 arcsec，获得高质量 β-Ga₂O₃ 同质外延层。

        ③ SIMS 表征证实尽管反应气氛富含氯，GaCl₃ 外延薄膜体相氯杂质浓度维持在低水平，氯主要参与气相与表面瞬态交换，不会大量进入晶体内部。

        ④ GaCl₃ 工艺制备晶圆上阵列肖特基二极管展现优异电学均匀性，−50 V 条件下全部器件反向漏电流密度低于 10⁻⁸ A/cm²，抑制由颗粒缺陷带来的漏电通道。

        ⑤ 证实前驱体化学工程策略，不改动硬件设备即可优化气相反应环境，为高质量、高均匀性 β-Ga₂O₃ HVPE 外延提供新可行方案。

        综上，本文研究了基于 GaCl₃-O₂ 体系的前驱体化学调控策略，用于调控气相反应并改善 β-Ga₂O₃ 外延的结构质量。热力学分析表明，在 GaCl₃ 转化过程中生成的 GaCl 所参与的 GaCl-O₂ 反应是 β-Ga₂O₃ 生成的主要途径。同时不断累积的 Cl₂ 将 GaCl-O₂ 反应平衡向反应物侧移动，降低热力学驱动力，由此可以缓解过高的气相过饱和度，减少寄生均相成核与颗粒生成。多尺度结构表征表明，对比传统基于 GaCl 的工艺，GaCl₃ 方法可以得到更加均匀的外延层，表面出现沿 [010] 方向伸长的形貌特征，结晶质量显著提升，将（002）XRC 摇摆曲线半高宽由 110.97 arcsec 降至 45.70 arcsec。SIMS 分析显示薄膜体相氯掺入水平有限（约 4×10¹⁵ atoms/cm³），说明氯物种主要参与生长过程中瞬态气相反应与表面反应，不会显著改变外延层的体相组分。此外，整片晶圆制备的垂直原型肖特基势垒二极管电学均匀性得到改善，在 −50 V 下反向漏电流密度低于 10⁻⁸ A/cm²。以上结果证明，前驱体化学工程是调控过饱和度，同时改善 β-Ga₂O₃ 外延层形貌、结构与电学均匀性的有效手段。

        本研究得到湖北省重点专项（JD）（2023BAA009）以及 JFS 实验室的经费支持。