半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)獲悉：西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心、西湖大學(xué)工學(xué)院孔瑋研究員開(kāi)發(fā)出一種新方法，首次實(shí)現(xiàn)了β-Ga?O? (100)面無(wú)斜切襯底上的單晶同質(zhì)外延，展示了在β-Ga?O?基功率器件中的巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)工作以“Single-Crystalline β-Ga2O3 Homoepitaxy on a Near Van der Waals Surface of (100) Substrate”為題發(fā)表于《Advanced Science》。
氧化鎵(β-Ga?O?)因其高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻特性在寬禁帶半導(dǎo)體功率器件中具有應(yīng)用潛力而受到了廣泛關(guān)注。由于β-Ga?O?優(yōu)良的材料特性，其被認(rèn)為是碳化硅(SiC)的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。Ga?O?具有五種不同的晶型，其中β-Ga?O?是最穩(wěn)定且適合熔體生長(zhǎng)的晶型，這使得其能夠被加工成與硅類(lèi)似的低成本、大尺寸襯底。目前，8英寸(100)面的β-Ga?O?晶圓已經(jīng)被成功生產(chǎn)，其晶圓尺寸預(yù)計(jì)未來(lái)將被進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，在(100)面襯底上進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)仍面臨挑戰(zhàn)，原因是外延層中存在高密度的孿晶，這些缺陷會(huì)顯著降低載流子遷移率并削弱器件性能。
β-Ga?O? (100)面表現(xiàn)出較弱的層間相互作用，其(100)B面的表面能為 0.34 J/m²，與石墨和二硫化鉬(MoS?)等二維材料的表面能相當(dāng)。(100)面的弱層間鍵使得其在外延過(guò)程中面臨類(lèi)似于范德華外延生長(zhǎng)所遇到的挑戰(zhàn)。例如，典型的范德華材料MoS?可以在藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)，但由于成核過(guò)程中不同取向之間的能量差極小，通常會(huì)形成多重孿晶（這由藍(lán)寶石對(duì)稱(chēng)性決定）。同樣，由于(100)B面類(lèi)似于范德華表面，使得孿晶形成能非常低（0.02 J/m²）而極易形成面內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°的反向?qū)\晶。因此，在(100)面β-Ga?O?襯底上進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)和器件制備的研究受到限制，迄今尚未實(shí)現(xiàn)在無(wú)斜切(100)襯底上的單晶外延生長(zhǎng)。
西湖大學(xué)工學(xué)院孔瑋團(tuán)隊(duì)首次在(100)襯底上采用類(lèi)范德華外延方式成功實(shí)現(xiàn)了單晶外延生長(zhǎng)β-Ga?O?。通過(guò)引入過(guò)量銦(In)作為表面活性劑，并在高Ga/O比的生長(zhǎng)條件下促進(jìn)了不穩(wěn)定的孿晶分解，并顯著提高了Ga原子的表面擴(kuò)散長(zhǎng)度。這些非常規(guī)條件促進(jìn)了單一取向的成核和沿臺(tái)階的橫向生長(zhǎng)及合并，以逐層生長(zhǎng)模式形成了具有原子級(jí)平坦表面的單晶β-Ga?O?薄膜。這一方法有效利用了該材料體系大尺寸晶圓的成本優(yōu)勢(shì)，為基于β-Ga?O? (100)面外延片開(kāi)發(fā)高性能器件提供了有前景的路徑。
圖1. (100)面β-Ga?O?的表面能和外延缺陷結(jié)構(gòu)
本研究首先總結(jié)了(100)面β-Ga?O?襯底較低的表面能以及其極低的孿晶形成能，并指出這些特性造成了與范德華外延相似的生長(zhǎng)模式，催生了傳統(tǒng)β-Ga?O? (100)面外延層中較高的孿晶密度。在傳統(tǒng)方式外延成核的初期，AFM結(jié)果顯示其主要呈島狀生長(zhǎng)模式，且EBSD揭示了部分外延島與襯底的取向相反，進(jìn)一步驗(yàn)證了成核初期存在大量孿晶。
圖2. β-Ga?O? (100) 面上傳統(tǒng)外延和單晶外延工藝生長(zhǎng)薄膜的表征
本研究采用金屬I(mǎi)n作為表面活性劑，在高Ga/O比和高溫條件下，促進(jìn)β-Ga?O?薄膜在(100)襯底上的單晶外延生長(zhǎng)。通過(guò)HAADF-STEM、EBSD和RHEED表征，證明了外延的β-Ga?O?薄膜具備單晶質(zhì)量。單晶外延膜在成核初期均形成同取向晶核，并以逐層生長(zhǎng)模式橫向擴(kuò)展成膜，形成了無(wú)孿晶外延薄膜。RHEED周期性震蕩曲線也驗(yàn)證了薄膜的逐層生長(zhǎng)模式。
圖3 單晶β-Ga?O?薄膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)
單晶外延的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于兩個(gè)關(guān)鍵因素：（1）單一取向晶核的形成；（2）晶核沿著該取向的橫向擴(kuò)展成膜。為了排除傳統(tǒng)生長(zhǎng)模式下易形成孿晶的問(wèn)題，本研究采用了偏離傳統(tǒng)生長(zhǎng)機(jī)制的熱力學(xué)平衡條件：通過(guò)提高生長(zhǎng)溫度和引入In金屬表面活性劑，結(jié)合高Ga/O比，促使過(guò)量鎵原子和孿晶反應(yīng)而分解成Ga?O，從而消除孿晶。進(jìn)一步通過(guò)提高In/Ga比，有效增加Ga原子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了逐層生長(zhǎng)模式，進(jìn)而橫向擴(kuò)展合并成單晶薄膜。通過(guò)AFM和RHEED等表征為該生長(zhǎng)模型提供了證據(jù)支撐。
圖4 β-Ga?O? (100)面上同質(zhì)外延生長(zhǎng)的示意圖和相圖
本研究將β-Ga?O? (100)面上單晶外延生長(zhǎng)的過(guò)程展現(xiàn)在示意圖中，并繪制了In參與的β-Ga?O? (100)面同質(zhì)外延生長(zhǎng)的相圖。
本文亮點(diǎn)
1. 成功實(shí)現(xiàn)無(wú)孿晶的β-Ga?O?單晶外延生長(zhǎng)，通過(guò)引入過(guò)量銦(In)作為表面活性劑，并在高Ga/O比和高溫生長(zhǎng)條件下，有效促進(jìn)了不穩(wěn)定孿晶的分解，顯著提高了Ga原子遷移距離，將生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹饘由L(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)了β-Ga?O? (100)基底上的原子級(jí)平整的單晶外延生長(zhǎng)。這一方法采用了單晶成核以及沿臺(tái)階橫向生長(zhǎng)的策略，成功克服了傳統(tǒng)外延中常見(jiàn)的孿晶缺陷問(wèn)題，為高性能器件的開(kāi)發(fā)提供了新的途徑。
2. 通過(guò)建立In參與的β-Ga?O? (100)面同質(zhì)外延生長(zhǎng)的相圖，明確了溫度和In/Ga比對(duì)生長(zhǎng)模式的影響。該相圖為進(jìn)一步優(yōu)化β-Ga?O? (100)面外延工藝提供了理論依據(jù)。
本研究第一作者為西湖大學(xué)-浙江大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生蔣彤和西湖大學(xué)科研助理王浩。西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員孔瑋為本研究通訊作者。該工作得到了西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心和西湖教育基金的資助支持。
