浙江大学杨德仁院士团队---通过HVPE法抑制 (010) β-Ga₂O₃同外延层生长上的Hillock缺陷
由浙江大学杨德仁院士的研究团队在学术期刊 Crystal Growth & Design 发布了一篇名为 Suppression of Hillock Defects on (010) β-Ga2O3 Homoepitaxial Layer Growth via Halide Vapor Phase Epitaxy（通过 HVPE 法抑制 (010) β-Ga2O3 同外延层生长上的 Hillock 缺陷）的文章。
1. 项目支持
该项研究得到浙江省“尖兵”和“领雁”研发计划（2023C01193）、国家自然科学基金（52202150、22205203、62204218）、中央高校基本科研业务费（226-2022-00200、226-2022- 00250）的资助、 国家博士后创新人才计划（BX20220264）、国家青年拔尖人才支持计划、杭州市领军型创新创业团队引进计划（TD2022012）。
2. 背景
β-Ga2O3 是一种具有超宽带隙（~4.8 eV）、高击穿场强（8 MV/cm）、高电子迁移率的超宽禁带半导体材料，非常适合用于高功率器件（如 SBDs 和 MOSFETs）中。为了实现高性能器件，对应的外延层必须具有极高晶体质量。卤化物气相外延（HVPE）因其高生长速率的能力，是一项重要的同质外延技术。(010) 晶向的 β-Ga2O3 因其潜在的更高热导率和更低堆垛层错倾向而受到关注，但其 HVPE 同质外延研究相对较少。在 (010) 面 HVPE 同质外延中，表面 Hillock 缺陷的形成是一个主要的难题，这是一种微米尺度的凸起形貌，严重影响外延层的平整度和均匀性。
3. 主要内容
Hillock 缺陷是一种表面缺陷，具有小丘或凸起的形态，会显著损害（010）面 β 相氧化镓（β-Ga2O3）外延层的平整度和均匀性。在此，通过卤化物气相外延（HVPE）成功生长出了厚度约为 10 μm 的高质量、无丘陵状缺陷的（010）β-Ga2O3 均匀层。通过光学显微镜（OM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、X 射线摇摆曲线（XRC）分析和透射电子显微镜（TEM）对生长模式和丘陵状结构进行了全面研究。结果表明，这些丘陵状缺陷是多晶颗粒，沿<001>方向生成，具有特定的（610）和（6-10）相交面。通过在固定 HCl 流量的情况下调整氧气流量，实施了一种精确的丘陵状缺陷抑制方法，在 VI/III 比值低于 18 时，获得了更平滑的（010）外延表面。这项工作为 HVPE（010）β-Ga2O3 层上丘陵状缺陷的起源和抑制方法提供了新的视角，为制造高性能功率器件铺平了道路。
4. 创新点
·首次报道使用浇铸法生长的 β-Ga2O3 衬底进行 (010) 面 HVPE 同质外延生长。
·详细研究并表征了 (010) β-Ga2O3 表面在 HVPE 生长过程中的特定岛状生长模式。
·通过 TEM 等手段深入分析了 (010) HVPE 生长层中常见的小丘缺陷，揭示其本质为与位错相关的特定取向多晶 β-Ga2O3 颗粒。
·提出了基于生长岛屿碰撞合并导致缺陷产生的小丘形成新机制。
·发现并通过精确控制 VI/III 的比例，实现了对 Hillock 缺陷的有效抑制，在 VI/III < 18 条件下获得了无 Hillock 的外延层。
5. 总结
在该项工作中，研究团队通过氢化物气相外延（HVPE）方法对在（010）铸造衬底上生长的 β-Ga2O3 同质外延层的岛状生长模式进行了全面研究。通过光学显微镜（OM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、X 射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）及相关技术对薄膜质量和缺陷进行了研究。相应结果表明，在延长生长周期后，由于外延生长过程中沿<001>方向扩展的岛状结构发生坍塌，Hillock 缺陷频繁出现。TEM 分析证实，这些 Hillock 缺陷是嵌入衬底中的多晶颗粒，具有（610）和（6-10）的一定交界面，这是由于岛状结构撞击点处的位错导致基体失配所致。通过在保持氯化氢流量恒定的情况下减少氧气流量，团队引入了一种更精确的方法来控制 HVPE 生长过程中的 VI/III 比率。更重要的是，Hillock 缺陷的形成对氧气流量非常敏感。当 VI/III 比率低于 18 时，Ga 原子层的形成促进了 Ga 原子的扩散，并延迟了岛状结构的撞击。因此，成功获得了厚实、无隆起、高质量的薄膜，并且随着 VI/III 比例的进一步降低，薄膜质量得到了改善。团队认为，该研究为通过 HVPE 法实现高质量（010）β-Ga2O3 薄膜的同质外延生长提供了有价值的见解，并为制造高性能厚外延层 SBD 器件铺平了道路。
6. 图文示例
图 1. 在Sn掺杂的（010）衬底上生长（a）30 分钟和（c）1 小时后的外延层的 CLSM 图像。(b)和(d)分别显示了(a)和(c)相应的 CLSM 三维形貌。
图 2. 分别为 VI/III 比率等于 (a) 40、(b) 30、(c) 25、(d) 15、(e) 6.25 和 (f) 3.75 时外延层形态的代表性 CLSM 图像。
DOI：
doi.org/10.1021/acs.cgd.5c00070
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