西湖大學未來產業研究中心、西湖大學工學院孔瑋研究員開發出一種新方法，首次實現了β-Ga?O?(100)面無斜切襯底上的單晶同質外延，展示了在β-Ga?O?基功率器件中的巨大應用潛力。相關工作以“Single-Crystalline β-Ga2O3Homoepitaxy on a Near Van der Waals Surface of (100) Substrate”為題發表于Advanced Science。

氧化鎵(β-Ga?O?)因其高擊穿電壓和低導通電阻特性在寬禁帶半導體功率器件中具有應用潛力而受到了廣泛關注。由于β-Ga?O?優良的材料特性，其被認為是碳化硅(SiC)的強有力競爭者。Ga?O?具有五種不同的晶型，其中β-Ga?O?是最穩定且適合熔體生長的晶型，這使得其能夠被加工成與硅類似的低成本、大尺寸襯底。目前，8英寸(100)面的β-Ga?O?晶圓已經被成功生產，其晶圓尺寸預計未來將被進一步擴大。然而，在(100)面襯底上進行同質外延生長仍面臨挑戰，原因是外延層中存在高密度的孿晶，這些缺陷會顯著降低載流子遷移率并削弱器件性能。

β-Ga?O?(100)面表現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。(100)面的弱層間鍵使得其在外延過程中面臨類似于范德華外延生長所遇到的挑戰。例如，典型的范德華材料MoS?可以在藍寶石上外延生長，但由于成核過程中不同取向之間的能量差極小，通常會形成多重孿晶（這由藍寶石對稱性決定）。同樣，由于(100)B面類似于范德華表面，使得孿晶形成能非常低（0.02 J/m2）而極易形成面內旋轉180°的反向孿晶。因此，在(100)面β-Ga?O?襯底上進行同質外延生長和器件制備的研究受到限制，迄今尚未實現在無斜切(100)襯底上的單晶外延生長。

西湖大學工學院孔瑋團隊首次在(100)襯底上采用類范德華外延方式成功實現了單晶外延生長β-Ga?O?。通過引入過量銦(In)作為表面活性劑，并在高Ga/O比的生長條件下促進了不穩定的孿晶分解，并顯著提高了Ga原子的表面擴散長度。這些非常規條件促進了單一取向的成核和沿臺階的橫向生長及合并，以逐層生長模式形成了具有原子級平坦表面的單晶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勢，為基于β-Ga?O?(100)面外延片開發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構

本研究首先總結了(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模式，催生了傳統β-Ga?O?(100)面外延層中較高的孿晶密度。在傳統方式外延成核的初期，AFM結果顯示其主要呈島狀生長模式，且EBSD揭示了部分外延島與襯底的取向相反，進一步驗證了成核初期存在大量孿晶。

圖2.β-Ga?O?(100) 面上傳統外延和單晶外延工藝生長薄膜的表征

本研究采用金屬In作為表面活性劑，在高Ga/O比和高溫條件下，促進β-Ga?O?薄膜在(100)襯底上的單晶外延生長。通過HAADF-STEM、EBSD和RHEED表征，證明了外延的β-Ga?O?薄膜具備單晶質量。單晶外延膜在成核初期均形成同取向晶核，并以逐層生長模式橫向擴展成膜，形成了無孿晶外延薄膜。RHEED周期性震蕩曲線也驗證了薄膜的逐層生長模式。

圖3單晶β-Ga?O?薄膜的生長動力學

單晶外延的實現依賴于兩個關鍵因素：（1）單一取向晶核的形成；（2）晶核沿著該取向的橫向擴展成膜。為了排除傳統生長模式下易形成孿晶的問題，本研究采用了偏離傳統生長機制的熱力學平衡條件：通過提高生長溫度和引入In金屬表面活性劑，結合高Ga/O比，促使過量鎵原子和孿晶反應而分解成Ga?O，從而消除孿晶。進一步通過提高In/Ga比，有效增加Ga原子的擴散長度，實現了逐層生長模式，進而橫向擴展合并成單晶薄膜。通過AFM和RHEED等表征為該生長模型提供了證據支撐。

圖4β-Ga?O?(100)面上同質外延生長的示意圖和相圖

本研究將β-Ga?O?(100)面上單晶外延生長的過程展現在示意圖中，并繪制了In參與的β-Ga?O?(100)面同質外延生長的相圖。

本文亮點

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2. 1.成功實現無孿晶的β-Ga?O?單晶外延生長，通過引入過量銦(In)作為表面活性劑，并在高Ga/O比和高溫生長條件下，有效促進了不穩定孿晶的分解，顯著提高了Ga原子遷移距離，將生長模式轉變為逐層生長并實現了β-Ga?O?(100)基底上的原子級平整的單晶外延生長。這一方法采用了單晶成核以及沿臺階橫向生長的策略，成功克服了傳統外延中常見的孿晶缺陷問題，為高性能器件的開發提供了新的途徑。
3. 2.通過建立In參與的β-Ga?O?(100)面同質外延生長的相圖，明確了溫度和In/Ga比對生長模式的影響。該相圖為進一步優化β-Ga?O?(100)面外延工藝提供了理論依據。

本研究第一作者為西湖大學-浙江大學聯合培養博士生蔣彤和西湖大學科研助理王浩。西湖大學工學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未來產業研究中心和西湖教育基金的資助支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202413074