【国际论文】CGD丨美国俄亥俄州立大学：MOCVD 生长 (011) β-Ga₂O₃ 薄膜缺陷调控及其器件影响

        由美国俄亥俄州立大学的研究团队在学术期刊 Crystal Growth & Design 发布了一篇名为 "MOCVD Growth of (011) β-Ga₂O₃ Films: Defect Control and Device Implication"（MOCVD 生长 (011) β-Ga₂O₃ 薄膜：缺陷调控及其器件影响）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是极具潜力的超宽禁带半导体材料，带隙约 4.8 eV，具备可调控的 n 型掺杂特性与高达 8 MV/cm 的理论击穿场强。相比 GaN、SiC 等材料，β-Ga₂O₃ 可通过熔体法制备高质量同质衬底，适合面向下一代功率电子器件应用。受全球能源需求驱动，功率器件不断追求更高效率、更小体积，对半导体材料击穿性能提出更高要求。垂直结构 β-Ga₂O₃ 器件虽取得性能进步，但厚层、高质量漂移层外延制备与成熟 p 型掺杂仍是制约瓶颈。

        卤化物气相外延（HVPE）可以实现很高的生长速率，但薄膜表面粗糙度大，器件制备前需要化学机械抛光（CMP），提升工艺成本，还会带来表面污染风险。金属有机化学气相沉积（MOCVD）可以获得表面平整的外延层，对厚度、掺杂、合金组分实现精准控制，适合多层器件结构的原位生长。(011) β-Ga₂O₃ 同质外延已经实现 10 kV 等级器件演示；偏切 (off-cut) (011) 衬底上厚膜生长 Dent/pit (凹坑、坑状)缺陷是突出难题。缺陷密度会直接决定垂直功率器件的成品率与性能，因此该团队针对衬底预处理、生长工艺开展系统研究，抑制缺陷生成，并制备垂直肖特基势垒二极管（SBD）验证材料的器件性能。

        β-Ga₂O₃ 是一种用于高功率电子器件的极具前景的超宽禁带半导体；然而，在高生长速率下实现厚且低缺陷的漂移层仍然具有挑战性。该团队采用远喷射喷淋头反应腔，以三甲基镓（TMGa，Trimethylgallium）与 O₂ 作为前驱体，在 (011) β-Ga₂O₃ 衬底上对 (011) β-Ga₂O₃ 漂移层的金属有机化学气相沉积（MOCVD，Metalorganic Chemical Vapor Deposition）生长工艺开展优化。系统研究化学预处理、原位氧气退火、衬底托盘旋转、脉冲流（PF，Pulse‑Flow）β-Ga₂O₃ 中间层带来的影响，建立生长条件与缺陷密度之间的关联。在所选生长条件下，B 方案化学处理［18 % HCl（10 min）+ 去离子水（10 min）+ 49 % HF（30 min）］结合 900 ℃ 下 1 h 的原位退火，可以将缺陷密度降至最低。在该预处理退火基础上，引入一层厚度约 30 nm 的 PF1 中间层可以进一步抑制缺陷形成，整套工艺可使缺陷密度降低一个数量级以上；仅单独插入 PF1 中间层仅实现约 3.5 倍缺陷降低。原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscopy）测试表明，厚度约 11 μm 的薄膜实现亚纳米级均方根（RMS，Root‑Mean‑Square）粗糙度，呈现台阶流形貌。高分辨 X 射线衍射（XRD，X‑ray Diffraction）摇摆曲线证实薄膜保持良好晶体质量。基于优化薄膜制备的场板肖特基势垒二极管（SBD，Schottky Barrier Diode）表现出优异正向导通特性、较低反向漏电流以及提升的击穿性能，体现缺陷调控对于高性能垂直功率器件的重要意义。

        ①缺陷抑制的化学预处理优化：该团队系统比较了三种化学处理方法，发现处理 B（18% HCl 10 分钟 + 去离子水 10 分钟 + 49% HF 30 分钟）结合 900 °C 下 1 小时原位氧退火，可获得最光滑表面和最低缺陷密度。

        ②脉冲流中间层缺陷抑制策略：该团队研究脉冲流中间层位置、厚度、脉冲时序的影响，发现在完成最优衬底化学预处理与原位退火条件下，于漂移层中部插入单层约 30 nm 的 PF1 脉冲流中间层，可有效阻断缺陷纵向传播，整套工艺实现超过一个数量级的缺陷密度下降；仅单独引入 PF1 中间层只能实现约 3.5 倍缺陷抑制。

        ③高速生长下保持高质量厚外延膜：在最高 5.5 μm/h 的生长速率下获得约 11 μm 厚 (011) β-Ga₂O₃ 同质外延膜；薄膜保持亚纳米级表面粗糙度与台阶流生长模式，XRD 摇摆曲线半高宽优于原始衬底，晶体质量优异。

        ④验证缺陷对垂直肖特基器件性能的影响：该团队制备场板型垂直肖特基势垒二极管，证实无缺陷区域器件具备理想因子接近 1 的正向特性、640-740 V 击穿电压；存在缺陷的器件漏电流显著升高、击穿电压劣化，直接证明缺陷控制对 β-Ga₂O₃ 功率器件至关重要。

        该团队提出一套在 MOCVD 高速生长厚 (011) β-Ga₂O₃ 薄膜过程中抑制缺陷的可行方案。结果表明，可以通过表面预处理和生长模式调控实现缺陷抑制。在所研究的预生长处理手段中，基于 HCl 和 HF 的化学处理，再配合 900 ℃、1 h 的原位氧气退火，能够持续得到表面最平整、缺陷密度最低的薄膜；延长退火时间或提高退火温度会劣化材料质量。另一项重要结果来自脉冲流工艺：在完成最优预处理‑退火的前提下，于漂移层中部插入单层 PF1 β‑Ga₂O₃ 中间层可以有效降低缺陷。高分辨 XRD 摇摆曲线证实生长得到的薄膜晶体质量优异；AFM 结果表明，高速生长条件下厚度约 11 μm 的薄膜仍然保持台阶流形貌与亚纳米粗糙度。最后，SBD 器件制备与测试表明缺陷控制十分关键：取自无缺陷区域的 SBD 表现稳定电学性能，而缺陷区域器件漏电流增大、击穿性能下降。该研究结果为面向大功率电子器件的 (011) β-Ga₂O₃ 的后续开发提供指导。

图 1. 未经预处理的偏切 (011) β-Ga₂O₃ 衬底上生长 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构示意图（a,b）与光学显微镜照片（c,d）；(e) PF1 型 β-Ga₂O₃ 的脉冲流生长时序。

图 2. 不同预处理条件下，在偏切 (011) β-Ga₂O₃ 衬底上生长 β-Ga₂O₃ 薄膜的工艺流程与结构示意图（a），以及光学显微镜形貌图（b-e）。

图 3. 在漂移层不同位置插入 PF1 脉冲流中间层的 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构示意图（a-c）以及光学显微镜图像（d-f）。

图 4. 采用不同脉冲流中间层工艺条件的 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构示意图（a-c）、光学显微镜图像（d-f）以及 PF2 的脉冲时序图（g）。

图 5. 不同退火条件下样品的结构示意图（a）和光学显微镜图像（b-d）。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.6c00857