以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽带隙（WBG）半导体受到广泛关注，人们对碳化硅在电动汽车和电网等领域的应用前景以及氮化镓在快速充电领域的应用前景寄予厚望。近年来，对Ga2O3、AlN和金刚石材料的研究取得了显著进展，使超宽带隙半导体材料成为人们关注的焦点。其中，氧化镓（Ga2O3）是一种新兴的超宽带隙半导体材料，其带隙为4.8 eV，理论临界击穿场强约 8 MV cm−1和饱和速度约2E7cm s−1，以及 3000 的高 Baliga 品质因数，在高压和高频电力电子领域受到广泛关注。

一、氧化镓材料特性

Ga2O3大带隙(4.8 eV)，有望同时获得高耐压和高功率能力，可以在相对较低的电阻下具有高电压适应性的潜力，使它们成为当前研究的重点。此外，Ga2O3不仅具有出色的材料特性，而且还提供了多种易于调节的n型掺杂技术，以及低成本的衬底生长和外延技术。迄今为止，Ga2O3 已发现了五种不同晶相，包括已发现刚玉系（α）、单斜晶系（β）、缺陷尖晶石（γ）、立方（δ）和斜方（ɛ）相。热力学稳定性依次为 γ、δ、α、ɛ 和 β。值得注意的是，单斜晶系 β-Ga2O3是最稳定的，特别是在高温下，而其他相在室温以上是亚稳态的，在特定的热条件下往往会转变为β相。因此，基于β-Ga2O3的器件的研发近年来已成为电力电子领域的主要关注点。

表1 一些半导体材料参数对比

单斜晶系β-Ga2O3的晶体结构如图1所示。其晶格参数包括 a = 12.21 Å、b = 3.04 Å、c = 5.8 Å 和 β = 103.8°。晶胞由具有扭曲四面体配位的 Ga （I）原子和具有八面体配位的 Ga （II）原子组成。在“扭曲立方”阵列中存在三种不同的氧原子排列，包括两个三角形配位的 O （I）和 O （II）原子和一个四面体配位的 O （III）原子。这两种类型的原子配位的结合导致了β-Ga2O3的各向异性在物理、化学腐蚀、光学和电子学方面特殊性能。

图1 单斜晶系β-Ga2O3晶体的结构示意图

从能带理论的角度来看，β-Ga2O3导带最小值源自Ga原子4s0杂化轨道对应的能量态，测得导带最小值与真空能级（电子亲和能）之间的能量差为4 eV。β-Ga2O3的有效电子质量测量值为 0.28–0.33 me，其有利的电子导电性。然而，价带最大值表现出较浅的E-k曲线，具有非常低的曲率和强局部的O2p轨道，这说明空穴是深度局域的。这些特性对在β-Ga2O3中实现p型掺杂提出了巨大的挑战，即使可以实现P型掺杂，空穴μ也保持在非常低的水平。

二、块状氧化镓单晶生长

迄今为止，β-Ga2O3的生长方法块状单晶衬底主要以拉晶方法为主，如直拉法（ Czochralski，CZ）、边缘定义薄膜进给法（Edge-deﬁned ﬁlm-fed，EFG）、布里奇曼（rtical or horizontal Bridgman ，HB 或 VB）和浮区（ ﬂoating zone，FZ）技术。在所有方法中，直拉法和边缘定义薄膜进给法方法有望成为未来β-Ga大规模生产最有希望的途径2O3晶圆，因为它可以同时实现大体积和低缺陷密度。截至目前，日本的Novel Crystal Technology已经实现了熔融生长β-Ga2O3的商业化基质。

2.1直拉法方法

直拉法原理是首先种子层覆盖，然后单晶从熔体中缓慢拉出。直拉法对β-Ga2O3越来越重要，由于其成本效益、大尺寸能力和高晶体质量衬底生长。然而，在Ga2O3的高温生长过程中由于热应力，单晶、熔体材料的蒸发和 Ir 坩埚的损坏都会发生。这是由于在Ga2O3中难以实现低n型掺杂的结果。在生长气氛中引入适量的氧气是解决这个问题的一种方法。通过优化，自由电子浓度范围为 10^16~10^19 cm-3，最大电子为 160 cm2/Vs 的高品质2英寸β-Ga2O3已通过直拉法实现成功生长。

图2 β-Ga2O3通过直拉方法生长的单晶

2.2边缘定义薄膜进给法方法

边缘定义薄膜进给法被认为是大面积Ga2O3商业化生产的首要竞争者单晶材料，该方法的原理是将熔体置于带有毛细管狭缝的模具中，熔体通过毛细管作用上升到模具顶部，形成薄膜并向各个方向扩散，同时被晶种诱导结晶。此外，可以控制模顶的边缘以产生薄片、管状或任何所需几何形状的晶体。边缘定义薄膜进给法Ga2O3提供了生长速度快，直径大。图 3 显示了 β-Ga2O3的图单晶。此外，在尺寸尺度方面，2英寸和4英寸β-Ga2O3具有出色透明度和均匀性的基板已经商业化，而 6 英寸基板则在研究中展示，以供未来商业化使用。最近，大型圆形单晶块体材料也可用于（−201）取向。此外，β-Ga2O3边缘定义薄膜进给法还促进了过渡金属元素的掺杂，从而使Ga2O3的研究和制备成为可能。

图3 β-Ga2O3通过边缘定义薄膜进给法生长的单晶

2.3 布里奇曼法

布里奇曼方法，晶体在坩埚内形成，坩埚通过温度梯度逐渐移动。该过程可以在水平向或垂直方向进行，通常使用旋转坩埚。值得注意的是，这种方法可能会也可能不会使用水晶种子。传统的布里奇曼操作员缺乏对熔化和晶体生长过程的直接可视化，必须高精度地控制温度。垂直布里奇曼方法主要用于β-Ga2O3的生长，以其在空气环境中生长的能力而著称。在垂直布里奇曼方法生长过程中，熔体和坩埚的总质量损失保持在1%以下，从而能够生长大β-Ga2O3损耗最小的单晶。

图4 β-Ga2O3通过布里奇曼方法生长的单晶

2.4浮区法

浮区法解决了坩埚材料对晶体的污染问题，并降低了与耐高温红外坩埚相关的高成本。在这个生长过程中，熔体可以通过灯而不是射频源加热，因此可以简化对生长设备的要求。虽然β-Ga2O3的形状和晶体质量浮区法得到的生长还不是最优的，该方法开创了一种很有前途的高纯度β-Ga2O3生长方法预算低廉的单晶。

图5 β-Ga2O3通过布里奇曼方法生长的单晶

三、外延薄膜生长

衬底基板为Ga2O3功率器件提供物理支撑层或导电层。下一个重要层是用于耐压和载流子传输的沟道层或外延层，为了提高击穿电压并最大限度地降低导通电阻，可控的厚度和掺杂浓度以及优选的材料质量是一些先决条件。通常采用分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、卤化物气相外延（HVPE）、脉冲激光沉积（PLD）和基于雾CVD的沉积技术来沉积高质量的Ga2O3外延层。

表2 一些具有代表性的外延技术

3.1 MBE方法

MBE技术以其高质量生长的能力而闻名，无缺陷具有可控n型掺杂的 β-Ga2O3薄膜源于其超高真空环境和高材料纯度。因此，它已成为研究最广泛和潜在商业化的β-Ga2O3薄膜沉积技术之一。此外，MBE方法还成功制备了高质量、低掺杂的异质结构β-（AlXGa1-X)2O3/Ga2O3薄膜层。MBE可以通过使用反射式高能电子衍射（RHEED）在原子层精度下实时监测表面结构和形态。但是，β-Ga2O3使用MBE技术生长的薄膜仍然面临许多挑战，例如低生长速率和小薄膜尺寸。研究发现生长速率（010）>（001）>（−201）>（100）的顺序。在650至750°C的微富Ga条件下，β-Ga2O3（010）表现出最佳生长，表面光滑，生长速率高。利用这种方法成功实现了β-Ga2O3外延，RMS粗糙度为0.1 nm。β-Ga2O3在富含Ga的环境中，MBE在不同温度下生长的薄膜如图所示。Novel Crystal Technology Inc. 已成功将 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE外延晶圆。它们提供高质量的（010）取向 β-Ga2O3厚度为 500 μm 单晶衬底，XRD FWHM 低于 150 弧秒。衬底为Sn掺杂或Fe掺杂。Sn 掺杂导电衬底的掺杂浓度为 1E18至9E18cm−3，而掺杂铁的半绝缘衬底的电阻率高于10E10 Ω cm。

图6Sn掺杂β-Ga2O3在不同温度下富Ga环境下生长的薄膜

3.2 MOCVD方法

MOCVD利用金属有机化合物作为前驱体材料来生长薄膜，从而实现大规模的商业化生产。使用MOCVD方法Ga2O3生长时，通常使用三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）和Ga（甲酸二戊二醇酯）作为Ga源，而 H2O，O2或 N2O用作氧气源，同时使用这种方法的生长通常需要高温（>800°C）。该技术具有实现低载流子浓度的潜力和高低温电子迁移率，因此，它对实现高性能β-Ga2O3功率器件具有重要意义。与MBE生长方法相比，由于具有高温生长和化学反应的特性，MOCVD具有实现β-Ga2O3薄膜非常高生长率的优势。

图7β-Ga2O3 （010）AFM图像

图8β-Ga2O3霍尔测得的μ与薄层电阻与温度的关系

3.3 HVPE方法

HVPE是一种成熟的外延技术，已广泛应用于III-V族化合物半导体的外延生长。HVPE以其生产成本低、生长速度快、膜厚度高等优点著称。需要注意的是，HVPE β-Ga2O3通常表现出粗糙的表面形态和高密度的表面缺陷和凹坑。因此，在制造设备之前需要进行化学和机械抛光工艺。用于β-Ga2O3外延的HVPE技术通常使用气态 GaCl 和 O2作为前驱体，促进（001）β-Ga2O3基质的高温反应。图9显示了外延膜的表面状况和生长速率随温度的变化而变化。近年来，日本Novel Crystal Technology Inc.在HVPE同质外延β-Ga2O3方面取得了显著的商业成功，外延层厚度为 5 至 10 μm，晶圆尺寸为 2 和 4 英寸。此外，20 μm 厚的 HVPE β-Ga2O3中国电子科技集团公司生产的同外延片也已进入商业化阶段。

图9HVPE方法β-Ga2O3

3.4 PLD方法

PLD技术主要用于沉积复杂的氧化物薄膜和异质结构。在PLD生长过程中，光子能量通过电子发射过程耦合到目标材料上。与MBE相比，PLD源粒子由具有极高能量（>100 eV）的激光辐射形成，随后沉积在加热的基板上。然而，在烧蚀过程中，一些高能颗粒会直接撞击材料表面，产生点缺陷，从而降低薄膜的质量。与MBE方法类似，在PLD β-Ga2O3沉积过程中，可以使用RHEED实时监测材料的表面结构和形态，使研究人员能够精确地获得生长信息。PLD方法有望生长高导电性β-Ga2O3薄膜，使其成为优化 Ga 2O3功率器件中欧姆接触方案。