一、 概要

氧化镓（β-Ga₂O₃）（注1）是新型半导体材料，作为应用于汽车、铁路、电力转换等领域的高效率、高耐压功率器件（注2）材料，正受到广泛关注。

在这些应用中，β-Ga₂O₃晶体内部存在的位错（注3）等晶体缺陷（注4）会导致器件性能下降以及可靠性降低，因此降低晶体缺陷密度成为当前的重要课题。为实现这一目标，首先需要建立能够对晶体内部缺陷进行准确观察与评价的技术。

Novel Crystal Technology与日本精细陶瓷中心开展联合研究，通过采用一种光学显微镜——相位差显微镜（注5），验证了其能够实现β-Ga₂O₃晶体内部缺陷的三维可视化。

相位差显微镜具有操作相对简便的特点，同时能够对以往必须借助特殊设备才能观察的位错进行立体化成像，实现对晶体内部缺陷分布的三维观测。

通过此次验证，可以高精度掌握晶体内部缺陷的空间分布及类型，为优化晶体生长条件提供有效反馈。该技术有望推动β-Ga₂O₃晶体功率器件性能提升与可靠性增强，并进一步促进其未来的大规模应用。

图1 β-Ga₂O₃（010）单晶中缺陷（位错）的三维重构图像

（拍摄条件：波长405 nm，物镜20×，N_A=0.5）

本成果是在日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO，国立研究开发法人新能源・产业技术综合开发机构）委托项目（JPNP22007）的支持下取得的研究成果。

二、 本研究详细内容介绍

① 当前背景与技术挑战

作为日本自主发展的材料，β-Ga₂O₃具有可实现低成本晶体生长以及超高耐压特性，因此被认为是支撑电动汽车普及、铁路节能化以及可再生能源（太阳能、风能等产生的电力）的高效利用的重要下一代功率半导体材料。

功率器件是实现电能高效率转换与控制的核心技术，对于提高能源利用效率以及实现脱碳社会具有重要意义。

其中，β-Ga₂O₃不仅具有优异的高耐压工作能力，同时还具备晶体生长相对容易、适合制备大尺寸晶圆等特点。然而，目前β-Ga₂O₃晶体内部仍存在位错等晶体缺陷，这些缺陷不仅会降低器件性能，还会影响器件长期运行可靠性。

因此，要解决上述问题，必须准确掌握晶体内部缺陷的位置、数量及分布情况，并将相关信息反馈至晶体生长工艺优化过程中。

基于这一需求，亟需建立一种能够针对整个晶圆范围，实现高速、无损缺陷检测的评价技术。目前，用于β-Ga₂O₃缺陷分布无损检测的方法之一是X射线形貌术（X-ray topography，注6）。

该方法通过使用特殊设计的测角仪（注7），能够实现晶体内部缺陷的三维观察。然而，该技术的测量与分析过程需要具备晶体学以及X射线衍射相关专业知识，并非一种任何研究人员均可方便使用的方法。

② 研究内容

本研究通过利用相位差显微镜对β-Ga₂O₃晶体进行观察，验证了该方法能够实现高速、大面积范围内的缺陷评价。

单张图像的拍摄范围为 360 μm × 300 μm，仅需 0.003秒即可完成采集。根据计算，对一片6英寸晶圆（注8）进行全面检测所需的约17万张图像，也可在约500秒内完成拍摄。

在获取的图像中观察到了点状对比度特征，通过与其他评价方法进行对比分析，研究人员确认这些特征对应于晶体中的位错。

此外，与其他检测方法的结果相比，两者的一致率超过96%，证明该方法具有较高的缺陷检测精度。进一步地，通过改变焦点位置，从晶体上表面逐渐移动至下表面，对晶体内部进行了三维观察。结果显示，大多数位错沿特定方向略微倾斜，并以近似直线形态贯穿晶体内部。

另一方面，研究还发现，晶体内部存在多种不同形态的位错，包括：

·倾斜方向不同的位错；

·整体贯穿晶体，但局部区域发生弯曲或蛇行的位错。

这些结果表明，β-Ga₂O₃晶体中的位错形态具有多样性。此外，对于采用X射线形貌术无法区分的近距离位错（间距约6.5 μm），相位差显微镜也能够分别识别各个位错。

这一结果表明，该技术能够更加精确地评价晶体内部位错的分布以及密度。

③ 成果意义及未来发展方向

本研究证明，利用相位差显微镜可以实现对β-Ga₂O₃晶体内部缺陷的高速、大面积三维观察。

相比传统方法，该技术能够实现过去难以完成的晶圆整体无损评价，从而全面掌握晶体内部缺陷分布以及缺陷密度，这一点具有重要意义。

此外，该方法具有观察操作相对简单、无需高度专业经验即可使用等优势。因此，该技术不仅适用于科研领域，还有望作为晶圆检测设备实现实际应用。由于其具备高速、大范围检测能力，未来有望进一步应用于制造现场的在线检测以及质量管理体系。同时，该技术能够快速、准确地为晶体生长条件优化提供反馈，有望加速β-Ga₂O₃晶体质量提升。

这将进一步促进功率器件性能提高以及长期可靠性增强，并推动β-Ga₂O₃器件在汽车、铁路、电力转换等多个领域的应用普及。

未来，研究团队将继续推进该方法的高精度化与自动化，并进一步提升缺陷类型识别能力以及定量评价水平。同时，还将探索该技术向其他宽禁带半导体材料领域拓展，为下一代功率器件材料的发展提供技术支撑。

图2 相位差显微镜光学系统示意图

直接光与衍射光发生干涉形成相位图像。

三维观察通过将焦平面从晶体表面沿垂直于样品方向移动至内部完成。

图3 (a)、(c)相位差显微镜图像；(b)、(d)X射线形貌图像

X射线形貌中的位错图像A～D，可通过相位差显微镜进一步分离识别为对应的位错图像A_i～D_i。