温度依赖的汽相成核作用以及CVD生长在4H-SiC基底上的β-Ga?O?外延层中的表面迁移现象

《Vacuum》：Temperature-dependent vapor-phase nucleation and surface migration in CVD-grown β-Ga 2O 3 epilayers on 4H-SiC substrate

本研究采用低压化学气相沉积法，在4°偏轴4H-SiC衬底上生长β-Ga2O3薄膜，优化温度至680℃时表面形貌最佳，抑制气相成核，提升薄膜结晶质量与表面光滑度，为先进器件应用奠定基础。

　　

李云凯|魏梦宇|焦静怡|裴一成|王宇阳|赵汉宇|严国国|刘星芳

中国科学院半导体研究所半导体物理与芯片技术国家重点实验室，北京，100083，中国

摘要

本研究采用低压化学气相沉积（LPCVD）技术在具有不同偏轴角度的4H-SiC衬底上生长了β-Ga₂O₃薄膜。使用纯度高的Ga和O₂作为原料，简化了制备过程并确保了元素的高纯度。通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线光电子光谱（XPS）对样品进行了全面表征。结果表明，在680°C时，4°偏轴（0001）衬底上的层状生长效果最佳。本文提出了一种生长机制，以阐明表面形态与生长条件之间的关系。研究表明，精确控制生长参数可以抑制气相成核及相关表面缺陷，从而提高表面清洁度和光滑度。这种方法使得在4H-SiC上生长出纯净的β-Ga₂O₃薄膜成为可能，使其适用于先进器件应用。

引言

氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽带隙和高击穿场强而在功率器件应用中具有巨大潜力[[1], [2], [3], [4]]。然而，与其他宽带隙半导体（如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）相比，Ga₂O₃的热导率相对较低[5]。在高压和大电流应用中，这一限制尤为关键，因为过高的结温可能导致器件失效。因此，提高Ga₂O₃器件的散热性能已成为研究重点。相比之下，SiC作为一种更为成熟的宽带隙材料，具有优异的热导率和有效的p型掺杂特性，这对于IGBT等器件至关重要[6]。在SiC衬底上生长Ga₂O₃具有双重优势：SiC不仅作为高热导率衬底，还为Ga₂O₃器件提供了潜在的p型掺杂支持，从而改善了热管理和电性能。

先前的研究已经探索了在SiC衬底上生长Ga₂O₃的各种技术，包括MOCVD、雾状CVD、磁控溅射和脉冲激光沉积[[7], [8], [9], [10]]。大多数方法使用氧气作为O源，而有些研究使用水来制备非β相的Ga₂O₃[11]。与常用的有机镓源（如三甲基镓、三乙基镓和乙酰丙酮酸镓[12]）相比，使用高纯度元素镓作为镓源可以显著减少外来杂质的引入和副产物的形成[13]。然而，Ga/O₂系统中β-Ga₂O₃生长的反应机制仍不甚清楚，特别是在微观尺度上的气体传输和反应物向衬底表面的传递方面。此外，温度控制下的成核和表面迁移对薄膜质量的影响也尚未得到充分研究，需要进一步分析和工艺优化[[14], [15], [16]]。

本研究探讨了在具有不同偏轴角度的4H-SiC衬底上外延生长Ga₂O₃薄膜的过程，重点关注温度对成核和表面迁移动态的影响。在4°偏轴和轴向衬底上分别在不同温度下生长了β-Ga₂O₃薄膜，并通过增设加热区来加热气体流。与使用纯Ga和O₂作为原料的研究相比，我们研究了更宽的温度范围[5,17]，包括较低的温度[13]。通过系统控制生长温度，我们旨在减少气相成核并促进表面迁移，从而提高薄膜质量。通过对表面形态和晶体结构的全面表征，我们建立了一个生长机制模型，强调了温度、成核和表面迁移之间的相互作用，突出了温度以及偏轴角度的影响[17]。本研究提供了一种可控且优化的工艺，用于在4H-SiC衬底上制备β-Ga₂O₃薄膜。

实验部分

实验

采用水平热壁CVD管式炉在4°偏轴和轴向（0001）4H-SiC衬底上生长β-Ga₂O₃薄膜。生长前，衬底经过标准RCA清洗程序并用Ar气体干燥，以确保表面污染物完全去除。纯度为5N的Ga金属被置于坩埚中作为镓源。O₂和Ar气体的流量分别为20 sccm和200 sccm，分别作为氧源和载气。

结果与讨论

温度和偏轴角度显著影响Ga₂O₃层的生长和表面形态。如图2所示，在4°偏轴衬底上生长的Ga₂O₃层呈现出明显的阶梯状形态，这可能是由于4°偏轴衬底的阶梯结构引导Ga₂O₃层沿特定方向生长所致，形成了更规则的台阶[17]。相比之下，轴向衬底上的外延层没有明显的形态特征。

结论

利用熔融Ga和O₂作为原料，在4°偏轴的4H-SiC（0001）衬底上成功生长出了纯净的β-Ga₂O₃层。通过优化生长温度，我们实现了对气相成核和表面迁移的精确控制，显著提高了晶体质量和表面光滑度。所得薄膜具有优异的层内质量、高元素纯度以及与4H-SiC之间的良好原子界面，表现出最小的界面扩散。此外，

作者贡献声明

李云凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论设计，实验研究，数据整理。魏梦宇：撰写 – 审稿与编辑。焦静怡：实验研究。裴一成：方法论设计。王宇阳：数据可视化与形式分析。赵汉宇：形式分析。严国国：资源协调。刘星芳：项目监督，资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号12175236）、北京市自然科学基金（编号L248097）和国家重点研发计划（编号2021YFB3401603）的支持。