摘要：美国俄亥俄州立大学（OSU）就利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）提高氧化镓（β-Ga2O3）外延的生长速度进行了报告 [Dong Su Yu et al, Appl. Phys. Lett., v125, p242106 2024]。研究团队特别研究了改变
来源：雅时化合物半导体
美国俄亥俄州立大学（OSU）就利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）提高氧化镓（β-Ga2O3）外延的生长速度进行了报告 [Dong Su Yu et al, Appl. Phys. Lett., v125, p242106 2024]。研究团队特别研究了改变氧前驱体和使用偏轴衬底的效果。
研究人员评论道：“这项工作的成果为通过MOCVD开发高晶质β-Ga2O3薄膜以用于垂直功率电子器件提供了指导。”
在低至7x1015/cm3的载流子浓度下，以4.5μm/h的速度生长的薄膜显示出高达190cm2/V-s的电子迁移率，这正是高功率/高电压垂直器件（如晶体管和肖特基势垒二极管）的漂移层所需要的。β-Ga2O3的超宽带隙（UWBG）也使其对紫外（UV）日盲光电探测器具有吸引力。
该团队报告称：“在氮化铝（AlN）、金刚石、氮化硼（BN）等几种候选超宽带隙半导体中，β-Ga2O3具有一个独特的优势，即可以通过熔体生长技术合成缺陷密度较低的高品质块状Ga2O3。”
与速度更快的卤化物气相外延（HVPE）相比，MOCVD对β-Ga2O3更具吸引力，因为MOCVD可产生更平滑的表面、更少的缺陷。因此，HVPE薄膜需要进一步的工艺步骤，如化学机械抛光（CMP）。HVPE的生长速度通常超过5μm。俄亥俄州立大学的研究表明，4.5μm/h的MOCVD生长速度表现良好，接近3μm/h MOCVD的结果。
β-Ga2O3外延生长在商用半绝缘（010）掺铁β-Ga2O3衬底上。衬底共分两种，一种带有2°的偏角，另一种则没有2°的偏角，两种衬底均由Novel Crystal Technology Inc.提供。镓前驱体为三甲基镓（TMGa）。至于氧成分，研究人员比较了使用高纯度（>99.9999%）氧气（O2）和使用含10ppm水分子的氧气（O2*）的情况。载气为氩气。生长温度和压力分别为950°C和60Torr。
生长速度从4.3μm/h到8.1μm/h不等，取决于前驱体的流速。硅烷（SiH4）用于n型硅掺杂。
与高纯度O2相比，使用O2*的其中一个效果是减小了三维金字塔形表面缺陷的尺寸和密度。不过，O2*样品确实具有“相对较高的表面结构密度，且特征尺寸要小得多”。
基于先前的研究，研究人员认为O2* MOCVD反应中氢的存在增加了衬底表面上吸附原子的迁移率，延长了扩散长度，“使得薄膜表面更平整、更均匀”。使用O2*进行生长时，样品的表面粗糙度为1.48nm，而使用高纯度O2进行生长时，样品的表面粗糙度为2.59nm。
薄膜厚度均为6.3μm的两个正轴样品（生长速度为4.5μm/h）显示出相似的电子传输特性：在O2*和O2下，电子载流子浓度分别为1.3x1016/cm3和1.4x1016/cm3，迁移率分别为185cm2/V-s和180cm2/V-s。
研究人员评论道：“随着薄膜厚度的减小，表面或界面粗糙度对传输特性的影响会更加显著。要了解表面形貌对器件性能的影响，未来还需进行进一步的研究。特别是具有较厚外延层的器件，可能仍需对表面形貌进行额外的优化。”
图1：在不同生长条件下（μm/min=μmol/min），分别生长在2°偏角和正轴（010）半绝缘β-Ga2O3衬底上的β-Ga2O3外延薄膜的光学图像、场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像和原子力显微镜（AFM）图像的表面视图。
使用2°偏角衬底进一步改善了表面形貌（图1）。研究人员评论道：“在β-Ga2O3衬底上引入偏角，为沿台阶/边缘进入的镓原子提供了优先成核位点，从而抑制了随机成核位点的出现和三维缺陷的形成。此外，使用O2*和相对较高的V/III比率可实现最佳的表面平整度。”
根据二次离子质谱分析，较高的氧流速还能抑制碳的掺入。由于严重的电荷补偿效应，碳往往会降低硅n型掺杂的有效性和准确性。
图2：比较采用TMGa快速生长（4.3-8.1μm/h）的（010）β-Ga2O3外延薄膜的室温霍尔迁移率数据与俄亥俄州立大学最近及先前报告的使用TMGa和三乙基镓（TEGa）前驱体进行MOCVD生长得出的β-Ga2O3外延薄膜的电子浓度数据。
研究人员实现了可控的低n型掺杂，载流子浓度为7x1015/cm3，迁移率为190cm2/V-s（图2）。生长速度为4.5μm/h，性能接近于以3μm/h较慢生长速度达到的约200cm2/V-s的记录值。这些数值也接近理论极限。所达到的最高电子载流子浓度为3.6x1018/cm3。
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