由日本NCT的仓又朗人董事长、佐佐木公平技术总监领导的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Structural and electrical characterization of homoepitaxial (⁠-102) β-Ga2O3 layers grown by halide vapor phase epitaxy using synchrotron x-ray topography and emission microscopy（利用同步辐射X射线拓扑成像与发射显微镜表征卤化物气相外延生长 (⁠-102) β-Ga2O3 同质外延层的结构与电学特性）的文章。

01 背景

β-Ga2O3 拥有约 4.8 eV 的超宽禁带，其理论击穿场强远超 SiC 和 GaN，在巴利加优值（BFOM）方面具有显著优势。由于其大尺寸单晶可以通过熔体法低成本制备，氧化镓被视为未来高压、高功率电子器件的有力竞争者。为了制备高性能器件，通常需要在块材衬底上生长高质量、掺杂可控的外延层。卤化物气相外延（HVPE）由于其极高的生长速率和良好的纯度控制，成为制备厚外延漂移层的核心技术。虽然 (010) 面是目前研究最广泛的外延晶面，但不同的晶向会影响外延层的生长质量、表面形貌以及内部缺陷的演变。（-102) 晶面在氧化镓中具有独特的原子排列特性，探索其在 HVPE 下的生长质量对于拓宽器件设计空间至关重要。在实际器件中，反向漏电流和击穿特性高度依赖于外延层中的晶格缺陷。识别导致器件失效的具体缺陷类型（如位错、包裹体或多晶颗粒），并建立电学失效与微观结构之间的直接关联，是目前氧化镓功率电子学研究的关键瓶颈。

02 主要内容

本研究表明，(⁠-102) β-Ga2O3 是通过卤化物气相外延法实现同质外延生长的理想候选材料。同步辐射X射线摇摆曲线测量证实，衬底与外延层在晶片上的半高全宽均保持约16角秒的均匀性。通过肖特基势垒二极管（SBD）的电容-电压测量，确认施主浓度范围为 7 × 1015至1 × 1016 cm−3。在 35 个肖特基势垒二极管中，有 32 个在 -300 V 反向偏压下泄漏电流密度低于检测限，从而实现了约 91 % 的高良率。同步辐射 X 射线形貌观测进一步发现，即使经过化学机械抛光仍残留于外延薄膜中的多晶缺陷，是导致肖特基势垒二极管反向泄漏电流的根源。

03 创新点

•首次将同步辐射 XRT 与 EM 发射显微镜结合，用于研究 (-102) 氧化镓。这种非破坏性的关联分析能够精确识别影响电学性能的微观缺陷。

•研究直接证明了(-102)外延层中的反向漏电流并非由普通的位错引起，而是由残留的多晶缺陷导致的。

•通过高良率的实验数据，验证了(-102)同质外延层作为高压功率器件漂移层的可行性与优越性。

04 总结

研究团队证实 (-102) β-Ga2O3 是高压气相外延（HVPE）同质外延生长的理想候选材料。同步辐射 X 射线衍射（XRD）测量结果表明，衬底与外延层在晶片上的全宽半高（FWHM）均保持约 16 角秒的均匀性，这表明其具有高结晶度，且在 HVPE 生长过程中未出现显著的晶体质量退化。此外，反向偏压二极管的 C-V 测量显示施主浓度范围为 7 × 1015 至 1 × 1016 cm−3。在 35 个反向偏压二极管中，有 3 个在反向偏压区域呈现高漏电流，最终获得约 91 % 的高良率。X 射线透射测量表明，化学机械抛光后残留的多晶缺陷是导致 HVPE 法 (-102) β-Ga2O3 反向漏极二极管出现反向漏电流的根源。化学机械抛光（CMP）彻底消除多晶缺陷的有效性可能因缺陷而异，这取决于其在高压气相沉积（HVPE）生长过程中的形成时机。然而迄今为止，这些多晶缺陷普遍被证实起源于衬底/外延层界面，这使得通过 CMP 工艺从外延层完全清除这些缺陷面临重大挑战。

图1. (a) 衬底与 (b) HVPE层（经CMP处理后）的同步辐射 X 射线透射显微镜全宽半高值（FWHM）映射图像，拍摄时 g 矢量为 2 -2 4。黄色箭头标注了衬底与外延层对应位置的 FWHM 数值。图 1 中 #1 和 #2 区域红框标记处的 X 射线透射图像，采用反射几何条件下 g 矢量 = 6 0 5 拍摄获得。