导读：

在氧化镓材料体系中，高质量单晶衬底解决了器件制造所需的材料基础问题，但要进一步实现高耐压、低导通损耗以及可控的器件结构，仅依靠衬底本身是不够的。

外延层承担着构建器件关键功能区域的重要作用。通过外延生长，可以进一步实现对材料厚度、载流子浓度、掺杂分布及多层结构的精确调控，并直接影响器件中的电流输运、电场分布和击穿特性。尤其对于高压功率器件，漂移层通常需要通过高质量外延获得，其晶体质量和电学性能在很大程度上决定着器件性能上限。

换言之，外延并不是衬底制备之后的简单“再生长”，而是连接单晶材料与高性能器件的核心技术环节，也是氧化镓从材料优势走向器件应用的关键一步。

本期，我们将从外延的基本概念出发，进一步认识β-Ga2O3外延的重要性及其技术发展。

外延技术：连接氧化镓材料与

器件应用的关键枢纽

什么是外延

外延（Epitaxy）是指在晶体衬底表面生长晶体层，且所生长晶体层与衬底之间具有确定晶体学取向关系的晶体生长过程。所形成的晶体层称为外延层（Epitaxial Layer）。（参考IUPAC Gold Book，Epitaxy 词条）

图1. 半导体外延技术体系及典型应用方向示意图[1]

外延层并非简单覆盖在衬底表面，而是与晶体衬底之间保持特定的晶体学取向关系。衬底不仅提供机械支撑，同时也作为外延生长的晶体学模板，对生长层的成核与取向产生重要影响。

以β-Ga2O3为例，在单晶衬底上继续生长β-Ga2O3，称为同质外延（Homoepitaxy）；而在蓝宝石、SiC等其他材料衬底上生长Ga2O3，则属于异质外延（Heteroepitaxy）。

相比异质外延，同质外延避免了不同材料之间较大的晶格与热膨胀失配，更有利于获得高质量的单晶外延层，因此也是目前面向高性能β-Ga2O3 功率器件的重要材料路线。

为什么要外延

从材料角度看，高质量β-Ga2O3单晶衬底已经具有完整的晶体结构，并可以通过掺杂获得不同的导电特性，那么，为什么还需要额外生长一层外延材料？核心在于：衬底与器件功能层承担着不同的作用，对材料性能的要求也并不相同。

以典型的垂直功率器件为例，器件在导通状态下需要尽可能降低电流传输过程中的电阻损耗，而在关断状态下，又需要材料能够支撑较高的反向电压和电场。为兼顾低导通电阻与高耐压性能，器件通常采用不同掺杂水平的材料结构：高掺杂导电衬底具有较低的电阻，可提供机械支撑和低阻电流通道；而承担主要耐压功能的漂移区，则通常需要具有较低的净掺杂浓度和足够的厚度，以形成较宽的耗尽区并支撑较高的反向电压。

图2. 一种垂直Ga2O3 SBD的截面结构示意图[2]

外延生长的重要作用之一，就是在高质量衬底之上进一步构建满足器件需求的功能层，实现对厚度、掺杂浓度及材料性能的独立调控。

厚度调控

不同器件对功能层厚度的要求并不相同。对于高压功率器件而言，漂移层通常需要具有足够的厚度，以支撑较高的反向电压。

随着厚度增加，生长时间、缺陷控制、厚度均匀性以及表面形貌控制的难度也会随之提高。如何兼顾生长速率与材料质量，是厚膜外延需要重点解决的问题之一。

掺杂调控

外延生长还可以实现对载流子浓度的精细调控。通过在生长过程中调节掺杂条件，可以在同一片衬底上获得具有不同电学性质的材料层。这使得器件材料不再局限于单一、均匀的掺杂状态，而可以根据不同区域的功能需求进行针对性设计。

多层结构设计

进一步地，外延生长还可以通过改变材料组成或掺杂条件，构建多层结构。例如，可以在不同层之间设置不同的掺杂浓度，形成高掺杂层、低掺杂层以及其他功能层；也可以通过不同材料之间的组合构建异质结构，为能带调控、载流子限制和器件结构设计提供更多可能。

氧化镓外延技术路线

目前，氧化镓外延已发展出多种技术路线，不同方法在生长物质的供给形式、输运方式及表面反应过程等方面各有特点。根据生长物质的产生与输运方式以及成膜过程，我们可将其大致归纳为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两类。

CVD类方法主要以含镓前驱体和氧源为生长物质，通过气相输运、雾化输运或挥发性卤化物中间体输运等方式将生长物种输送至衬底附近，并在衬底表面经历前驱体分解、氧化反应及表面化学反应，最终形成Ga2O3外延层。代表性技术包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）、雾化化学气相沉积（Mist-CVD）和卤化物气相外延（HVPE）等。

PVD类方法则主要通过物理过程产生并输运生长物种。代表性技术主要包括脉冲激光沉积（PLD）和分子束外延（MBE）等。

MOCVD

金属有机化学气相沉积（MOCVD）是目前Ga2O3外延的重要技术路线之一。其基本原理是将金属有机镓源与氧源输送至加热的衬底附近，通过前驱体分解及表面化学反应形成Ga2O3外延层。常用镓源包括TMGa和TEGa，氧源可采用O2、H2O等。

MOCVD具有工艺参数调控灵活、掺杂控制能力较强等特点，可用于高质量Ga2O3同质外延和器件级外延材料制备，是目前氧化镓外延研究中的重要方法。

图3. 典型 MOCVD 反应器结构示意图[3]

HVPE

卤化物气相外延（HVPE）是一种利用挥发性镓卤化物进行气相输运的外延技术。在典型生长过程中，GaCl等气相物种被输运至高温衬底区域，并与氧源反应形成Ga2O3外延层。

HVPE最突出的特点是生长速率较高、厚膜生长能力强，因此特别适合制备高压功率器件所需的厚漂移层，是β-Ga2O3厚膜外延的重要技术路线。

图4. HVPE外延生长系统示意图[4]

Mist-CVD

雾化化学气相沉积（Mist-CVD）是将含镓前驱体溶液雾化成微小液滴或气溶胶，再通过载气输送至加热的衬底区域，经蒸发、分解和表面反应形成Ga2O3薄膜或外延层。Mist-CVD具有设备结构相对简单、前驱体配置灵活和低成本潜力等特点，目前主要应用于α-Ga2O3异质外延及大面积氧化物薄膜生长研究。

图5. Mist-CVD反应器结构示意图[5]

PLD

脉冲激光沉积（PLD）是一种常用于氧化物薄膜制备的技术。其基本原理是利用高能脉冲激光照射靶材，使靶材表面瞬间烧蚀并形成由原子、离子和团簇等组成的高能羽流，随后这些生长物种输运至衬底表面并形成薄膜。

PLD具有较高的工艺灵活性，可以方便地调节温度、氧分压、沉积通量、入射粒子能量等条件，从而改变成核与生长动力学，适合开展不同晶相、衬底效应及异质外延等研究。不过，其在大面积均匀性、颗粒控制和规模化制备等方面仍存在一定局限，因此目前更多应用于实验室尺度的材料研究。

图6. PLD系统示意图[6]

MBE

分子束外延（MBE）是一种具有较高生长控制能力的外延技术。其通常在超高真空环境下，通过高纯度束源产生定向的原子束或分子束，并输运至加热的衬底表面。生长物种经过吸附、扩散和表面反应等过程，最终形成外延层。

MBE的突出优势在于束流可独立调控，并具有较好的界面和厚度控制能力，因此特别适合超薄层、异质结构及生长机理研究。在氧化镓领域，MBE 已被广泛用于β-Ga2O3及相关异质结构的外延生长。其主要局限在于设备复杂、真空要求高，传统生长模式下的生长速率通常较低，因此在厚膜和大规模制备方面相对受限。

图7. 氧化物MBE系统示意图[4]

不同外延技术在生长速率、材料质量、掺杂控制、界面调控和规模化能力等方面各具特点，其适用场景也有所不同。不同外延技术之间并不存在简单的优劣关系。对于氧化镓而言，外延方法的选择最终取决于目标材料和器件对厚度、掺杂、晶体质量、界面结构以及制造效率等方面的具体要求。

本期总结

从衬底到外延层，氧化镓材料的制备更加直接地面向器件需求。无论是PVD还是CVD，其核心都在于对生长物质的供给、输运及表面反应过程进行调控，从而在衬底上获得具有特定晶体结构和材料性能的外延层。

不同技术路线各有侧重：有的更强调材料质量与掺杂调控，有的突出高速厚膜生长能力，也有的更适合界面控制、晶相调节及新型材料体系探索。显然，氧化镓外延技术的发展并不在于寻找一种能够取代其他方法的“唯一工艺”，而是根据不同材料结构和器件应用需求，形成各具优势、相互补充的技术体系。现阶段，如何在进一步提高晶体质量、降低缺陷密度的同时，实现对掺杂浓度、外延厚度及材料性能的精确调控，并持续提升大尺寸晶圆的片内与片间均匀性，仍是氧化镓外延技术发展需要重点突破的核心问题。

参考文献：

[1] Intell. Sustain. Manuf. 2025, 2(1): 10011.

[2] IEEE Trans. Power Electron. 2021, 36(1): 41–44.
[3] J. Appl. Phys. 2023, 133(21): 211103.
[4] AAPPS Bull. 2022, 32: 3.
[5] J. Semicond. 2023, 44(6): 062803.

[6] J. Mater. Res. 2022, 37(1): 124–135.

来源：镓和半导体

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