【会员论文】大连理工大学梁红伟教授团队： 低偏压下β-Ga₂O₃ (010)外延面垂直器件主要漏电通道的识别

        由大连理工大学梁红伟教授、张赫之副教授联合山东大学穆文祥教授、香港科技大学的黄文海副教授组成的研究团队在学术期刊Crystal Growth and Design发布了一篇名为Identifying the Predominant Leakage Channel under Low Reverse Bias for β‑Ga₂O₃ Vertical Device Epitaxy on the (010) Plane（低偏压下β-Ga₂O₃ (010)外延面垂直器件主要漏电通道的识别）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其具有4.5 eV的超宽禁带、8 MV/cm的高击穿电场强度以及本征日盲紫外特性，成为大功率电子器件与日盲紫外光电探测器领域理想的半导体材料。其中，以（010）晶面为衬底生长的外延层，其电子迁移率可接近200 cm²V⁻¹s⁻¹的理论极限，同时具备更优的生长速率与热导率，成为实现厚膜外延生长及制备高性能器件的优选衬底取向。然而，（010）外延表面普遍存在大量微米级丘状缺陷（hillock），其密度高达10³~10⁴cm⁻²，且无论采用何种生长方法，该缺陷均会导致表面粗糙化。近年来，虽有研究对丘状缺陷的起源、特性及调控方法进行了初步探索，但不同类型丘状缺陷在低反向偏压下对器件漏电行为的具体影响仍不明确。因此，识别低偏压下β-Ga₂O₃ (010)外延面垂直器件中的主要漏电通道并阐明其漏电机制，对于实现高性能β-Ga₂O₃外延及功率器件具有重要的科学意义和应用价值。

        本研究采用氧化物气相外延（OVPE）法在 (010) 晶面衬底上实现了 β-Ga₂O₃薄膜的生长。依据外延表面形貌特征，将 hillock 缺陷明确划分为两类：I 型为沿 [001] 方向延伸的矩形结构，II 型为同时沿 [001] 和 [101] 方向延伸的方形结构。在此基础上，通过对两类 hillock 缺陷的微观结构与低反向偏压下漏电行为的关联分析发现，在低反向偏压条件下，II型hillock相关的漏电通道数量较I型高出数十倍，其泄漏电流强度超过5 nA，而I型hillock的漏电流仅为pA量级。这一漏电差异主要归因于II型hillock内部存在连续位错、沿特定方向滑移的多晶缺陷及相互连通的空洞状缺陷，同时，其下方可观测到与纳米管延伸至衬底表面并诱发螺位错相关的特征结构。进一步通过隔离无缺陷区域制备肖特基势垒二极管并开展电学性能测试，进一步证实II型hillock的漏电流强度较I型高出数个数量级，从而明确其为(010)外延表面垂直器件在低反向偏压下的主要漏电通道。

        1、首次明确区分β-Ga₂O₃（010）面两类丘状缺陷，系统界定了其形貌与取向特征：Ⅰ型为沿 [001] 方向延伸的矩形结构，Ⅱ型为同时沿 [001] 与 [101] 方向扩展的方形结构。

        2、揭示了两类缺陷漏电差异的微观机制。研究发现，II型丘状缺陷内部存在连续位错、沿特定方向滑移的多晶缺陷及相互连通的空洞状缺陷，其下方还可观测到与纳米管延伸至衬底表面并诱发螺位错相关的特征结构。上述微观缺陷共同构成了低反向偏压下的有效漏电路径，从机理层面阐释了Ⅱ型丘状缺陷导致高漏电的根本原因。

        3、采用导电原子力显微镜微区测试与缺陷隔离型垂直器件宏观验证，证实 Ⅱ 型丘状缺陷是低反向偏压下（010）面 β-Ga₂O₃垂直器件的主要漏电路径。

        本研究采用 OVPE 法在β-Ga₂O₃(010) 衬底上生长同质外延膜，识别出两类丘状缺陷：沿 [001] 方向延伸的矩形 Ⅰ 型、同时沿 [001] 和 [101] 方向扩展的方形 Ⅱ 型。低反向偏压条件下，Ⅱ 型hillock的漏电通道数量与电流强度均显著高于 Ⅰ 型，这一漏电差异主要归因于II型hillock内部存在连续位错、沿特定方向滑移的多晶缺陷及相互连通的空洞状缺陷，且其下方存在纳米管延伸诱发的螺位错结构。SBD 器件进一步证实，Ⅱ 型hillock的漏电流较 Ⅰ 型高3 个数量级，由此确定 Ⅱ 型丘状缺陷是（010）面 β-Ga₂O₃垂直器件低反向偏压下的主要漏电路径。本研究明确了该类器件低反向偏压下漏电特征及漏电机制，为β-Ga₂O₃器件的缺陷调控与性能优化提供了重要实验依据和思路。

        本研究得到了国家自然科学基金（62104024、U23A20358、12075045、11975257、11961141014、62074146）、山东省重点研发计划（2024CXGC010104）及山东大学晶体材料国家重点实验室（KF2404）的资助。

图1 OVPE外延Ga₂O₃薄膜SEM图 (a) 以I型丘状结构为主，(b) II型丘状结构呈广泛分布。图(c)和(d)分别为I型与II型丘状结构放大SEM图。

图2 (a) C-AFM测量装置示意图，(b)无缺陷区域的SEM图，(c)无缺陷区域的10×10 μm² AFM图，(d)在-6V电压下测得的对应电流分布图。

图3 I型丘状结构的C-AFM图。I型丘状结构上部：(a) AFM形貌图，(b) 在−6 V条件下测得的电流分布图，(c) 对应的电流强度图。I型丘状结构下部：(d) AFM形貌图，(e) 在−6 V条件下测得的电流分布图，(f) 对应的电流强度图。

图4 (a) II型丘状结构C-AFM测量区域SEM图。II型丘状结构的C-AFM图包括：(b) 形貌图，(c) 在4 V反向偏压下测得的电流图，以及(d) 电流分布图。

图5 (a) I型丘状结构SEM图。(b) I型丘状结构TEM图。(c) 区域A的 SAED 图。(d) 区域B的 SAED 图。

图6 II型丘状结构下方TEM图 (a) II型丘状结构下方TEM图。(b) (a)中标注橙色区域TEM明场像。(c) (a)中标注蓝色区域TEM明场像。(d-f) 绿色标记区域高分辨TEM图及对应的 FFT 图案。

图7 (a) XRM 测试区域的光学显微镜图。(b)对应XRM 图及(c) XRM三维图像显示II型丘状结构下方存在延展线。

图8 (a) 肖特基器件结构示意图， (b) 肖特基器件I-V曲线图。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.5c01495