摘要：氧化镓（Ga₂O₃）作为新兴的第四代半导体材料，因其超宽的禁带宽度（~4.9eV）、高击穿场强（8MV/cm）和优异的Baliga品质因数（约为SiC的10倍、GaN的4倍），在高压功率器件、深紫外光电器件及极端环境电子设备中展现出巨大潜力。与第三代半导体碳化
氧化镓（Ga₂O₃）作为新兴的第四代半导体材料，因其超宽的禁带宽度（~4.9eV）、高击穿场强（8MV/cm）和优异的Baliga品质因数（约为SiC的10倍、GaN的4倍），在高压功率器件、深紫外光电器件及极端环境电子设备中展现出巨大潜力。与第三代半导体碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）相比，氧化镓的禁带宽度更宽，理论击穿电压更高，且可通过熔体法生长大尺寸单晶，显著降低了衬底制备成本。此外，氧化镓材料在高温、高辐射环境下仍能保持稳定的电学性能，使其成为下一代高能效功率电子器件的理想候选者。
表1：半导体材料β-Ga₂O₃、Si、4H-SiC、GaN基本物理性质对比
氧化镓产业链的成本结构与第三代半导体碳化硅（SiC）相似，受材料特性和制备工艺影响，成本主要集中在衬底（有铱法）与外延环节，合计占比超过80%，而器件制造环节仅占10%~20%。从全球氧化镓产业发展格局来看，各国发展态势呈现显著差异：日本在氧化镓领域保持全面领先优势，已构建完整的衬底-外延-器件产业链，其中FLOSFIA公司率先实现非晶Ga₂O₃功率器件的商业化量产，日本东北大学与C&A公司合作开发的无铱工艺更有望将衬底成本降低90%，为氧化镓产业链发展注入强劲动力。美国形成了覆盖全环节的研发体系，其中器件领域的研究成果尤为突出，通过新颖的结构设计和工艺优化持续推动器件性能突破[1]。相较而言，我国氧化镓产业仍处于以科研院所为主导的发展阶段，虽然宽禁带半导体热潮催生了一批初创企业，但产业化进展较为缓慢，目前只能够小批量的提供氧化镓衬底，外延、器件环节产业化进程几乎空白。
氧化镓外延制备方法
氧化镓器件需要在外延薄膜上制备，因此，制备高性能器件，高质量、低缺陷的氧化镓外延至关重要。迄今为止Ga₂O₃外延薄膜的制备主流方法有：卤化物气相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）、雾化化学气相沉积（Mist-CVD）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等。不同制备Ga₂O₃外延技术对比如表2所示：
表2：Ga₂O₃外延技术对比
卤化物气相外延（HVPE）
HVPE是一种基于卤化物气相反应的高速外延技术，以GaClₓ（HCl与金属Ga反应生成）和O₂/H₂O为前驱体，在800~1100℃衬底上沉积β-Ga₂O₃薄膜。其核心优势在于超高速生长（10~200μm/h）和无碳高纯特性，背景载流子浓度可低至1015cm-3，同时支持1015~1020cm-3的宽范围n型掺杂，完美匹配高压功率器件对厚外延层（>10μm）和低掺杂的需求。然而，HVPE生长的薄膜存在表面粗糙（需抛光或THVPE工艺优化）和缺陷密度较高的问题，且难以实现原子级异质界面控制。目前，日本NICT等机构已实现6英寸外延片的制备，4英寸产品通过器件验证，THVPE技术进一步将表面粗糙度降至
分子束外延（MBE）
MBE是一种在超高真空环境下，通过精确控制镓（Ga）束流和氧等离子体/O₃分子束在衬底表面反应沉积Ga₂O₃薄膜的技术。其核心特点是原子级控制能力，可实现δ-Si掺杂（精度±1单原子层）和异质结界面的陡峭调控（
研究显示，β-Ga₂O₃（010）衬底的生长速率比其他晶面高30%以上[4]。美国AFRL团队采用臭氧（O₃）替代氧等离子体，在650℃下实现130nm/h的生长速率[5]，而蓝宝石衬底上低温MBE（复合源法）可进一步降低生长温度[6]。MBE目前主要用于科研领域的高端器件开发（如量子阱、超晶格），但低速（
雾化化学气相沉积（Mist-CVD）
Mist-CVD是一种新兴的低成本氧化镓薄膜制备技术，采用超声雾化（~2.4MHz）将氧化镓前驱体溶液（如GaCl₃、Ga(acac)₃）转化为微米级气溶胶，在载气（N₂/O₂）输送下于400-700℃常压环境下实现氧化镓薄膜沉积。该技术的优势在于设备成本仅为传统CVD的10%~20%，工艺温度较MOCVD降低300~500℃，且采用水溶性前驱体，兼具安全性与环保性。目前，该技术已成功应用于α-Ga₂O₃和κ(ε)-Ga₂O₃薄膜制备，日本FLOSFIA公司率先实现4英寸α-Ga₂O₃薄膜量产，并基于此开发出全球首款1700V/1A级肖特基二极管[7]。然而，Mist-CVD技术产业化仍面临着大尺寸（>4英寸）薄膜沉积均匀性控制差，生长过程中会引入多种非故意掺杂以及亚稳相α-Ga₂O₃的热稳定性差等问题。
金属有机化学气相沉积（MOCVD）
金属有机化学气相沉积（MOCVD）作为化合物半导体领域最成熟的产业化外延技术，可实现氧化镓薄膜的大面积沉积及膜厚高精度控制，同时可通过控制气体流速调控薄膜组分和掺杂浓度等，工艺拓展性强，已成为氧化镓外延工业化的首选生长技术。其技术原理是通过金属有机镓源（如TEGa、TMGa）与氧源（O₂、N₂O或H₂O）在高温衬底表面发生热分解反应，实现Ga₂O₃的外延生长。传统MOCVD生长Ga₂O₃外延面临生长速率低（
当前研究进展显示，MOCVD生长的β-Ga₂O₃薄膜性能已达行业领先水平。美国Kyma Technologies团队采用N₂O作为氧源，将非故意掺杂浓度降至1014cm-3量级[9]；中国科学家在β-Ga₂O₃（010）衬底上获得室温电子迁移率184cm2/(V·s)（载流子浓度2.5×1016cm-3），接近理论极限值[10]。产业化方面，日本Novel Crystal Technology已实现4英寸MOCVD外延片量产，生长速率稳定在3-5μm/h，缺陷密度
氧化镓外延
氧化镓外延包括同质外延和异质外延两种技术路线。在同质外延方面，衬底选择通常为β-Ga₂O₃，需根据具体外延方法进行晶面选择[11]。异质外延衬底材料一般有蓝宝石、氮化镓、钛酸锶(SrTiO3)等，由于异质外延存在晶格失配和热膨胀失配问题，需要通过缓冲层技术提升外延薄膜质量，但其结晶质量通常差于同质外延。
同质外延
同质外延常用的衬底晶面包括β-Ga₂O₃的解理面(100)、(001)和非解理面(010)、(101)。不同外延技术对晶面取向有着特定要求，如在MBE外延技术中，(010)晶面的沉积速率显著高于(100)晶面，差异可达10倍[12]，但在MOCVD工艺中，衬底晶向对沉积速率的影响相对较小[13]。
对于β-Ga₂O₃(100)衬底的同质外延，尽管衬底与外延层具有完美的晶格匹配，但生长过程中仍会出现层错、孪晶等缺陷，制约了载流子迁移率的提升。采用台阶流生长模式（step-flow growth）可有效抑制缺陷形成，通过控制生长动力学实现无缺陷Ga₂O₃薄膜的制备。
研究表明，通过衬底斜切处理可有效实现β-Ga₂O₃(100)同质外延的台阶流生长模式。Schewski团队发现[14]，采用MOCVD法生长时，6°斜切角是实现台阶流生长的临界值，此时可获得无缺陷薄膜；而斜切角小于6°时则以二维岛状模式生长，伴随层错和孪晶等缺陷。后续Bin团队通过工艺优化取得重要突破[15]，在不同斜切角度(2°、4°、6°)的Ga₂O₃(100)衬底上都实现了台阶流，将外延速率从1.6nm/min提升到4.3nm/min，室温电子迁移率提升到131cm2/(V·s)。
异质外延
鉴于β-Ga₂O₃热导率只有0.14W/(cm·K)，存在散热上的局限性，因此学者们尝试直接在高导热性的衬底上进行异质外延生长。
异质外延常用的衬底一般有蓝宝石、氮化镓、钛酸锶(SrTiO3)等，Schewski团队[16]发现c面蓝宝石能稳定α-Ga₂O₃相，但会引入失配位错，Akaiwa团队[17]通过引入退火缓冲层，显著提升了α-Ga₂O₃的结晶质量和迁移率。相比于蓝宝石，GaN具有更好的导热性及光学性质，Cao团队[18]通过MOCVD法在GaN(0001)上制备β-Ga₂O₃外延，之后做退火处理，发现退火温度调控可实现非晶→单晶→多晶的相变转化。钛酸锶衬底上制备氧化镓外延也被研究，Wang团队[19]采用MOCVD技术，在SrTiO3(100)衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜，并经过不同温度退火，发现在1000℃下退火能得到单晶β-Ga₂O₃，其可见光透过率达75%。
参考文献
1. 麻尧斌,石健,赵聪鹏,等.全球氧化镓产业发展概况及对我国的启示[J].中国集成电路,2023,32(07):12-16.
2. K. Ema, K. Sasaki, A. Kuramata, et al. Homo- and hetero-epitaxial growth of β-gallium oxide via GaCl3-O2-N2 system.Journal of Crystal Growth, 2021, 564.
3. K. Azizie, F. V. E. Hensling, C. A. Gorsak, et al. Silicon-doped β-Ga2O3 films grown at 1 µm/h by suboxide molecular-beam epitaxy. APL Materials 2023, 11(4): 041102.
4. Sasaki K，Higashiwaki M，Kuramata A，et al．Journal of Crystal Growth，2013, 78, 591.
5. Higashiwaki Masataka, Sasaki Kohei, Kuramata Akito, etc. Development of gallium oxide power devices [J]. physical status solidi (a), 2014, 211(1): 21-26.
6. Ghose Susmita, Rahman Shafiqur, Hong Liang, etc. Growth and characterization of β-Ga2O3 thin films by molecular beam epitaxy for deep-UV photodetectors [J]. Journal of Applied Physics, 2017, 122(9): 095302.
7. D. Shinohara, S. Fujita. Heteroepitaxy of Corundum-Structured α-Ga2O3 Thin Films on α-Al2O3 Substrates by Ultrasonic Mist Chemical Vapor Deposition. Japanese Journal of Applied Physics, 2008, 47(9R): p.7311.
8. Alema F，Hertog B，Osinsky A，et al．Journal of Crystal Growth，2017，475，77．
9. Alema F，Zhang Y W，Osinsky A，et al． APL Materials，2020，8( 2) ，021110．
10. Feng Z X，Bhuiyan A F M A U，Karim M Ｒ，et al． Applied Physics Letters，2019，114，250601．
11. 蒋骞,张静,谢亮,等.氧化镓薄膜外延生长及其应用研究进展[J].材料导报,2022,36(13):17-27.
12. Ahmadi E，Koksaldi O S，Kaun S W，et al．Applied Physics Express，2017，10( 4)，041102．
13. Baldini M，Albrecht M，Fiedler A，et al．ECS Journal of Solid State Science and Technology，2017，6(2)，Q3040．
14. Schewski R，Lion K，Fiedler A，et al．APL Materials，2019，7(2)，022515.
15. Bin A S，Gruneberg R，Wouters C，et al．Applied Physics Letters，2020，116，182106.
16. Schewski R，Wagner G，Baldini M，et al．Applied Physics Express，2015，8(1)，011101.
17. Akaiwa K，Ota K，Sekiyama T，et al．Physics Status Solidi A，2020，217(3)，1900632．
18. Cao Q，He L N，Xiao H D，et al．Materials Science in Semiconductor Processing，2018，77，58.
19. Wang D，He L N，Le Y，et al．Ceramics International，2019，46(4)，4568.
*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。
来源：宽禁带联盟
