导读：

一片衬底能否真正用于器件制造，不能只看尺寸，也不能只看表面是否光亮平整。隐藏在晶体内部和加工表层中的缺陷，往往会对后续外延质量和器件可靠性产生重要影响。

在β-Ga2O3单晶中，点缺陷、位错、线状缺陷、纳米管以及加工损伤等问题，可能来自晶体生长过程，也可能产生于切割、研磨和抛光环节。它们有的只是材料中的局部缺陷，有的却可能贯穿衬底、连接电流路径，最终表现为器件漏电升高、击穿性能下降或可靠性波动。

本期我们将从这些典型缺陷出发，讨论氧化镓衬底缺陷的来源、表征方式及其对外延和器件性能的影响。

看不见的“隐患”，氧化镓衬底缺陷如何影响器件性能？

为什么要关注氧化镓衬底缺陷

缺陷并不只是材料表征中的“瑕疵”。对于功率器件而言，它们可能成为漏电流通道、局部电场集中区域或外延缺陷的起源；对于紫外探测器等光电器件而言，缺陷还可能引入陷阱态，影响暗电流、响应速度和稳定性。

在垂直功率器件中，电流需要穿过外延层和衬底。如果衬底中存在贯穿型缺陷，或者缺陷在外延生长中继续延伸，就可能直接影响器件的反向漏电、击穿电压和长期可靠性。因此，理解氧化镓衬底缺陷的类型、来源和影响，是推动其器件产业化的重要基础。

目前，表征β-Ga2O3晶体缺陷常用的方法包括刻蚀坑密度统计、X射线形貌术（XRT）、透射电子显微镜（TEM）、偏光显微镜以及原子力显微镜（AFM）等。其中，刻蚀坑密度（Etch Pit Density, EPD）是评价晶体缺陷密度的常用指标之一。不同生长方法、晶面取向和腐蚀条件下，β-Ga2O3的EPD数值会有所差异，文献报道中常见数值可达103-105 cm-2量级[1]。

氧化镓主要衬底缺陷类型

点缺陷：

影响稳定性的微观缺陷

点缺陷通常发生在原子尺度，包括氧空位、镓空位、间隙原子、反位缺陷以及杂质原子等。与刻蚀坑、线状缺陷等不同，点缺陷一般不会在显微镜下表现为明显的形貌异常，因此很难通过常规表面观察直接识别。

对于β-Ga2O3衬底而言，点缺陷的影响主要体现在电学性能上。一方面，氧空位、杂质等相关缺陷可能改变材料的载流子浓度，使衬底表现出不同程度的导电性。同时，一些点缺陷或缺陷复合体还可能形成深能级陷阱，在器件工作过程中反复俘获和释放载流子，从而引起电流漂移、响应滞后、阈值不稳定等问题。

因此，尽管点缺陷很难直接观察，但它们对 β-Ga2O3衬底的导电类型、陷阱行为和器件可靠性有着不容忽视的影响。

结构缺陷：

线缺陷与面缺陷

除点缺陷外，β-Ga2O3衬底中还存在位错、层错和孪晶界等结构缺陷。其中，位错属于线缺陷（一维缺陷）；层错和孪晶界属于面缺陷（二维缺陷）。与点缺陷相比，这类缺陷不再局限于单个原子位置，而是在晶体中沿特定方向或平面延展，因此会对晶体局部结构完整性和电学均匀性产生影响。

位错会破坏局部晶格完整性，并可能在选择性腐蚀后形成特征刻蚀坑；层错和孪晶界则会引起局部原子排列或晶体取向的改变。因此，控制结构缺陷是提升氧化镓衬底质量和器件稳定性的关键环节。

线状缺陷与纳米管：

沿[010]方向延伸的典型三维缺陷

β-Ga2O3较为典型的一类三维缺陷是与[010]方向相关的线状缺陷或管状缺陷[2]。由于β-Ga2O3属于单斜晶系，晶体结构具有显著各向异性，不同晶向上的原子排列、生长速率和缺陷扩展行为存在差异，这使得部分缺陷更容易沿特定方向延伸。

如图 1所示，在VB法生长的β-Ga2O3晶体中，经热磷酸腐蚀后可以观察到明显的线状缺陷（line-shaped defects）。这类缺陷通常与晶体生长过程中的各向异性、热应力以及界面稳定性有关。

图1. VB法生长晶体不同晶面上的线状缺陷[3]

类似形貌的缺陷也在EFG法生长的β-Ga2O3 晶体中被报道。其中较典型的是纳米管缺陷（nanopipe）。纳米管可以理解为沿特定晶向延伸的中空管状缺陷，常沿[010]方向呈直线排列，如图 2所示。有研究认为，这类缺陷可能与高温生长过程中氧化镓熔体分解、挥发性亚氧化物形成以及局部生长界面不稳定等因素有关[4]。

图2. EFG法生长(001)面晶体中的纳米管缺陷[4]

对于EFG法而言，纳米管缺陷并非不可控制。通过优化氧分压、生长温度、提拉速率、模具结构和热场分布，可以在一定程度上降低其形成概率。换句话说，纳米管缺陷既反映了β-Ga2O3晶体本身的各向异性特征，也体现了熔体法生长过程中对界面稳定性和气氛控制的要求。

刻蚀坑：识别位错、

空洞和缺陷来源的重要窗口

刻蚀坑并不是缺陷本身，而是晶体缺陷在选择性腐蚀后显现出的表面形貌。对于β-Ga2O3衬底而言，位错、空洞、纳米管或局部应力集中区域往往会被优先腐蚀，从而形成不同形貌的刻蚀坑。因此，刻蚀坑密度常用于评估晶体缺陷水平，而其形貌和分布特征也可为判断缺陷类型提供参考。不过，刻蚀坑形貌受晶面取向和腐蚀条件影响较大，缺陷来源通常还需结合XRT、TEM等表征进一步确认。

如图 3所示，研究人员选取导模法生长的主面为(-201)取向的氧化镓晶体，并对其(010)截面进行了选择性腐蚀观察，发现其表面呈现出多种典型刻蚀坑形貌[5]。文献中通常根据形貌差异将其分为不同类型。其中，部分刻蚀坑与空洞类缺陷相关，随着腐蚀时间延长，其形貌会逐渐发生变化；另一些刻蚀坑则与位错相关，通常表现出更加稳定且具有特征性的形貌。

图3. 同一位置不同刻蚀时间下(010)面氧化镓上的典型刻蚀坑形貌[5]

需要注意的是，刻蚀坑形貌与晶面取向密切相关。对于EFG法生长的β-Ga2O3衬底，不同主面上常见的刻蚀坑形貌并不完全相同。例如，在(-201)主面上常观察到葫芦形刻蚀坑，而在(001)主面上则可出现类似子弹头形貌的刻蚀坑。这种差异反映了β-Ga2O3晶体各向异性对腐蚀行为和缺陷显现方式的影响。

VB法生长晶体的不同晶面上也可以观察到类似的刻蚀坑差异，如图 4所示。不同晶面上刻蚀坑的形状、分布和密度，可以帮助判断晶体内部缺陷的空间分布及其与生长方向之间的关系。

图4. VB 法生长晶体不同晶面上的主要刻蚀坑形貌[3]

因此，刻蚀坑并不只是简单的表面形貌，而是理解β-Ga2O3晶体缺陷结构的重要入口。通过结合刻蚀坑统计、XRT和TEM等手段，可以更准确地区分位错、空洞、纳米管等不同缺陷类型。

图5.镓和半导体EFG法(001)面氧化镓衬底表面不同区域刻蚀坑形貌及密度分布

如图 5所示，镓和半导体EFG法制备的(001)面氧化镓衬底不同区域经选择性腐蚀后，表面整体较为平整，仅观察到少量离散刻蚀坑。五个测试点的刻蚀坑密度处于102-103cm-2 量级，最低约267 cm-2，表明该衬底具有较好的晶体完整性和片内质量一致性，可为后续同质外延和器件制备提供良好基础。

加工损伤：

衬底制备中不可忽视的后生缺陷

除了长晶过程中形成的原生缺陷，衬底加工过程也可能引入新的损伤。β-Ga2O3衬底从晶体到晶圆，需要经历切割、研磨、减薄和化学机械抛光（CMP）等多个步骤。由于β-Ga2O3具有明显解理性和各向异性，在机械加工过程中容易产生亚表面损伤、划痕、微裂纹以及局部应力集中。

如图 6所示，XRT表征可以观察到加工过程中引入的线型缺陷，其中标记为p的线状特征即与加工损伤有关。这类缺陷并不一定来自长晶过程，而可能是在切割、研磨或抛光过程中形成。

图6. 衬底中的加工损伤表征结果[6]

加工损伤的影响有时会具有隐蔽性。即使衬底表面经过CMP后看起来较为平整，亚表面仍可能残留损伤层。这些损伤在后续外延高温过程中可能演化为缺陷源，影响外延层质量；在器件制备中，也可能成为局部漏电或击穿薄弱点。

因此，对于氧化镓衬底而言，缺陷控制不能只停留在长晶阶段，还必须贯穿切割、研磨、抛光和清洗等整个加工流程。优化加工参数、降低机械应力、控制去除量和提高表面清洁度，都是提升衬底质量的重要环节。

缺陷对器件的影响：

缺陷耦合与漏电路径

晶体缺陷对器件性能的影响，并不是简单地由缺陷数量多少决定。对于β-Ga2O3衬底而言，更需要关注缺陷的类型、空间取向、延伸长度，以及它是否与器件中的电流路径和高电场区域发生耦合。

在功率器件中，缺陷带来的直接影响通常表现为反向漏电流升高和击穿电压降低。以肖特基二极管为例，理想情况下，反向偏压主要由外延漂移层承担，电流应被有效阻断；但当衬底或外延层中存在位错、空洞、纳米管等缺陷时，这些区域可能引入局部势垒不均匀、陷阱辅助输运或连续漏电路径，使反向电流更容易通过。在高电场作用下，缺陷附近还可能出现局部电场集中，从而增加提前击穿的风险[7-8]。

位错是影响β-Ga2O3器件漏电的重要缺陷之一。对于(-201)面β-Ga2O3衬底，已有研究表明，位错相关刻蚀坑数量与肖特基二极管反向漏电流之间存在明显相关性，如图 7所示[7]。一般而言，位错数量越多，器件反向漏电流越容易升高。这可能与位错附近存在的深能级缺陷、局部应变场以及杂质偏聚有关。这些因素会改变局部势垒高度，使位错区域成为更容易发生载流子输运的通道。

图7. 衬底缺陷数量与肖特基二极管反向漏电流之间的关系[7]

不过，并不是所有位错都会造成同样严重的电学影响。研究表明，在β-Ga2O3肖特基二极管中，当位错等缺陷位于肖特基接触下方、贯穿器件电流路径，或与局部高电场区域发生耦合时，其影响才会更加明显[8-9]。因此，评价缺陷影响时，需要同时考虑缺陷类型、空间位置以及其与器件结构之间的关系。

缺陷空间分布与漏电风险

空洞和纳米管类缺陷的影响则更依赖于其空间取向和延伸长度。β-Ga2O3中部分空洞和纳米管沿[010]方向延伸，但不同衬底晶面中，[010]方向与器件电流方向之间的关系并不相同。因此，同样是沿[010]延伸的缺陷，在不同取向衬底上的电学影响可能完全不同。

例如，在(001)和(-201)面衬底中，沿[010]方向延伸的空洞往往与衬底表面近似平行。如果这类缺陷没有贯穿器件的垂直电流路径，其对反向漏电的影响可能相对有限。相反，在(010)面衬底中，沿[010]方向延伸的空洞可能更容易贯穿衬底。当空洞长度足够长，并连接器件正面与背面时，就可能形成有效漏电路径，使反向电流显著增加。

因此，评价空洞或纳米管对器件的影响时，不能只看缺陷是否存在，还要看它是否“贯穿”了器件工作路径。对于垂直器件而言，贯穿型缺陷更容易形成从正面到背面的漏电通道；而对于横向器件，则需要结合沟道位置、电极边缘、栅边缘及局部电场分布，进一步判断缺陷是否会参与载流子输运或诱发局部漏电。

衬底缺陷与外延质量

除了直接形成漏电路径，缺陷还可能通过影响外延质量间接影响器件性能。

对于β-Ga2O3同质外延而言，衬底中的位错、纳米管、空洞以及加工损伤等缺陷，可能在外延过程中被复制到外延层，也可能在生长界面处诱发新的扩展缺陷或局部形貌异常。但同时，在一定生长条件下，部分缺陷也可能发生转化或被抑制。因此，衬底缺陷与外延缺陷之间并不是简单的一一对应关系，而是需要结合晶面取向、生长方法和具体工艺条件综合判断。

图8. HVPE外延前后(001)取向EFG衬底同一区域的X射线形貌对比[6]

对于高压功率器件而言，外延漂移层通常承担主要耐压功能。如果外延层中存在继承性缺陷、线状缺陷、局部凹坑或粗糙化区域，就可能改变局部电场分布，并增加反向漏电或提前击穿的风险，从而影响器件一致性和可靠性。因此，衬底缺陷控制不仅关系到衬底本身质量，也会影响后续外延层缺陷演化和器件性能表现。

加工损伤与界面质量

加工损伤同样不能忽视。切割、研磨和CMP 过程中形成的亚表面损伤，可能在表面看似平整的情况下仍残留于衬底近表层。这些损伤在高温外延过程中可能成为缺陷扩展源，也可能影响金属接触、界面态密度和表面漏电。对于肖特基二极管和场效应晶体管而言，表面和界面质量直接关系到势垒均匀性、栅介质可靠性和器件稳定性。

缺陷陷阱与长期可靠性

此外，从可靠性角度看，缺陷的影响还可能在长期工作中逐渐放大。在高温、高压或强电场条件下，缺陷相关陷阱可能反复俘获和释放载流子，引起电流漂移、阈值电压漂移、迟滞或动态特性退化；局部漏电区域还可能带来热积累，使器件在长期工作中面临更高的退化风险。

本期总结

本期我们围绕氧化镓衬底缺陷及其器件影响，对熔体法β-Ga2O3单晶中常见的缺陷问题进行了梳理。总体来看，β-Ga2O3的缺陷行为与其低对称性晶体结构和强各向异性密切相关。许多缺陷并不是随机分布的，而是具有明显的方向性，也正因如此，评价氧化镓衬底质量时，不能只看缺陷密度的高低，还需要结合缺陷类型、空间取向、延伸长度以及所在晶面进行综合判断。

对于器件而言，缺陷的影响也并非简单地表现为“有缺陷就一定失效”。位错可能通过局部陷阱态、应变场或势垒不均匀性增加反向漏电；空洞和纳米管是否产生明显影响，则取决于其是否贯穿器件电流路径；加工损伤虽然产生于衬底制备后段，却可能在后续外延和器件制备过程中继续显现，影响外延质量、界面状态和器件可靠性。

氧化镓衬底缺陷研究不仅要“看见缺陷”，更要理解缺陷如何影响外延生长和器件性能。随着衬底尺寸不断放大，缺陷控制将直接关系到外延质量、器件良率和长期可靠性。

参考文献：