【会员论文】APL丨日本NCT：利用同步辐射X射线形貌学和扫描透射电子显微镜研究位错簇对卤化物气相外延法生长(001)β-Ga₂O₃同质外延层的影响

        由日本NCT的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Influence of dislocation clusters on homoepitaxial layers grown by halide vapor phase epitaxy (001) β-Ga₂O₃ investigated by synchrotron x-ray topography and scanning transmission electron microscopy（利用同步辐射 X 射线形貌学和扫描透射电子显微镜研究位错簇对卤化物气相外延法生长(001) β-Ga₂O₃ 同质外延层的影响 ）的文章。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽带隙（~4.8 eV）和高击穿场强，在下一代功率器件领域展现出巨大潜力 。目前，商业化氧化镓外延片主要通过卤化物气相外延（HVPE）技术在（001）面衬底上生长，因为该工艺生长速率快且衬底尺寸大 。然而，在（001）面生长的外延层表面经常观察到深陷坑（Deep pits），其深度可达膜厚的 40% 左右 。这些陷坑必须在器件加工前通过昂贵的化学机械抛光（CMP）去除，显著增加了生产成本 。因此，查明这些陷坑的物理起源对于优化外延工艺、降低成本并提升器件性能至关重要 。

        刚生长的卤化物气相外延（001）β-Ga₂O₃ 表面的凹坑形成主要归因于衬底中的位错簇。横截面 X 射线形貌术显示，这些位错簇穿透到（001）表面下方约 210 nm 的最小测量深度。位错簇蚀坑的形成揭示了一种独特的蚀坑类型，其中主蚀坑周围伴有较小的蚀坑，这些小蚀坑在主蚀坑头部附近相对于[010]方向以约 ± 38°的角度排列。通过横截面扫描电子显微镜观察的进一步分析证实，这些较小的蚀坑起源于（-1-0-25）和（-1-025）堆垛层错，推测这些层错是位错簇的传播路径。

        ·利用横截面同步辐射 X 射线形貌术发现，这些位错团簇在衬底内部延伸极深，至少达到 210 μm 的深度 。这意味着简单的表面抛光很难彻底清除这些缺陷源 。

        ·通过各向异性湿法刻蚀发现，位错团簇会形成一种独特的形貌：在主刻蚀坑的头部，伴随有呈 ± 38°（相对于 [010] 方向）排列的微小刻蚀坑 。

        ·借助横截面扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）观察，确定这些微小陷坑是由 (-1-0-25) 和 (-1-025) 堆垛层错（SFs） 引起的 。 

        ·研究推测这些堆垛层错充当了位错团簇在晶体生长过程中的传播路径 。这一发现为后续开发能够阻断或抑制位错团簇延伸的新型外延技术提供了关键的微观物理依据。

        综上所述，衬底中存在的位错簇被确定为原生 HVPE（001）β-Ga₂O₃ 表面蚀坑形成的主要原因。通过横截面 X 射线衍射（XRT）观察发现，位错簇延伸至（001）表面下方约 210 nm 的深度。蚀坑的形成揭示了一种特殊类型的蚀坑，该蚀坑附近伴有小蚀坑，这些小蚀坑相对于主蚀坑头部附近的[010]方向以约 38° 的角度排列。这些小蚀坑后来被证实起源于（-1-0-25）和（-1-025）滑移面（SFs），据推测，位错簇沿着这些滑移面传播。

图1.(a)和(b)分别展示了在衍射条件 g=6 0 5 下拍摄的 2 英寸基板的同步辐射 X 射线透射（XRT）图像及其轮廓区域的放大图像。位错簇用红色箭头标出。

图2. (a) 在与图 1 (b)相同的位置拍摄的 HVPE 生长表面的共聚焦显微镜图像，以及其#1 位置的高倍放大图；以及(b) #2 位置基板的放大 X 射线衍射（XRT）图像，该图像与 HVPE 生长表面重叠。HVPE 生长表面上的位错簇和凹坑用红色箭头标出。

图3.(a) 在图 2 (a)中红色虚线位置处以 g=12 2 0 拍摄的横截面 X 射线透射(XRT)图像，以及(b)其从 #1 到 #5 的放大图像。

图4. (a) 位错簇区域蚀坑的显微镜图像，(b) 由 6 0 5 的 g 拍摄的对应 XRT 图像，以及(c) (a)和(b)的重叠图像。

图5. (a)和(b)分别为蚀坑 #1 和 #2 的扫描电子显微镜（SEM）图像以及蚀坑 #1 的横截面 SEM 图像。

图6. (a) 蚀坑 #1 的低倍率 STEM 图像，(b) 轮廓区域的放大 STEM 图像，以及(c) 由 VESTA 绘制的 β-Ga₂O₃ 晶胞。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0327068