【国内论文】中山大学裴艳丽教授团队：基于MOVPE法获得的宏观缺陷自由同质外延(100)β-Ga₂O₃薄膜：倾斜切割角度的影响

        由中山大学裴艳丽教授、王钢教授团队联合深圳信息职业技术大学在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Macro-defect-free homoepitaxial (100) β-Ga₂O₃ by MOVPE: Effect of Miscut angles（基于 MOVPE 法获得的宏观缺陷自由同质外延 (100) β-Ga₂O₃ 薄膜：倾斜切割角度的影响）的文章。方湃文为文章第一作者。

        本研究部分由中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0205300）资助；部分由国家自然科学基金（项目编号：62471504）资助； 部分由深圳市稳定支持项目 20231127114207001 资助；部分由高层次人才创业启动资金项目 RC2024-008 资助；部分由光电材料与技术国家重点实验室(中山大学)开放基金 OEMT-2023-KF-05 资助。研究团队感谢杭州镓仁半导体有限公司提供优质的 Ga₂O₃ 衬底。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是下一代功率器件的理想材料之一，而高质量的厚膜同质外延是制造这些器件的基础。在所有晶向中，(100) 晶向的 β-Ga₂O₃ 衬底因易于大尺寸制备而具有重要的商业价值，但其孪晶形成能较低，导致外延生长时容易产生孪晶和堆叠层错等缺陷。对于需要微米级厚度外延层的功率器件而言，生长过程中缺陷的累积会导致表面出现宏观缺陷，严重影响器件的性能和可靠性。虽然使用偏切衬底是改善外延质量的常用方法，但切角对 (100) β-Ga₂O₃ 厚膜外延中宏观缺陷形成与抑制的具体作用机制尚不明确，需要系统性研究。

        现今 β-Ga₂O₃ 是新一代功率器件的新兴候选材料，但其同质外延生长技术仍有待改进。本研究旨在深入探讨衬底倾斜角度对 (100) β-Ga₂O₃ 厚膜同质外延的影响。通过金属有机气相外延技术，以三甲基镓为前驱体，成功实现厚度超过 2 μm 的 β-Ga₂O₃ 同质外延生长，生长速率高达 0.8 μm/h。在切角为 4° 的 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上，实现了无宏观缺陷的平滑表面及台阶流生长模式。相比之下，即使优化生长条件，生长于 0°、1° 和 2° 切角衬底上的外延薄膜仍存在宏观缺陷，表现为大台阶结构及顶部凸起晶粒。透射电子显微镜观测表明，含孪晶区和晶粒的宏观缺陷主要由堆叠层错向上延伸所致。增大衬底切角可有效抑制宏观缺陷。从原子迁移角度看，大切角具有窄的台阶宽度，能促进原子在阶梯扭折位点处的吸附，有效降低二维成核概率，从而防止堆叠层错和宏观缺陷的形成。这项工作证明，要获得具有平滑表面的微米级厚度的 (100) β-Ga₂O₃ 同质外延薄膜，必须采用较大的错切角，这对功率器件的应用非常重要。

        ● 研究了在 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上生长微米级厚度同质外延膜。

        ● 外延薄膜表面宏观缺陷的形成归因于堆叠层错的向上延伸。

        ● 研究了外延模式与衬底倾斜角度对宏观缺陷形成的影响。

        ● 较大倾斜角度（4°）可抑制二维成核，在厚膜外延过程中实现无宏观缺陷的平滑表面。

        本研究采用 TMGa 作为前驱体，在不同切角衬底上实现了 (100) β-Ga₂O₃  MOCVD 同质外延生长。在切角为 4° 的衬底上生长的约 2.4 μm 厚外延膜，实现了台阶流生长模式和无宏观缺陷的平滑表面。相反，即使优化了生长模式，在切角较小的衬底上生长的外延膜表面仍观察到大量宏观缺陷。透射电子显微镜图像揭示，表面宏观缺陷实为晶体颗粒，主要由堆垛错位向上延伸所致。当切角较小时，原子台阶的扭折位点数量不足，部分吸附原子可能通过二维成核形成扭折位点，进而导致后续同质外延过程中出现堆垛错位及表面宏观缺陷。随着切角增大，扭折位点数量显著增加，二维成核概率随之降低。通过抑制堆叠层错，最终获得表面平整且无宏观缺陷的同质外延厚膜。本研究深化了对 (100) β-Ga₂O₃ 同质外延的认识，为功率器件应用奠定了基础。

图1. 在切角为 (a) (b) (c) 0° 和 (d) (e) (f) 1° 的 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上生长的同质外延薄膜的 8 μm 范围原子力显微镜图像、光学显微镜图像及高分辨率X射线衍射摇摆曲线。

图2. (a) 表面宏观缺陷的扫描电子显微镜图像；(b) 无误切角样品宏观缺陷的透射电子显微镜截面图像；(c) 和 (d) 分别是 (b) 图中黄色框和红色框的放大图像； (e) 堆叠层错的HRTEM衍射图案（插图对应黄框区域的FFT图像）；(f) (e) 中黄框区域的IFFT图像；(g) 和 (h) 分别为明场图像及其对应的 FFT 图像。

图3. (a) 1° 切角样品表面宏观缺陷的透射电子显微镜横截面图像；(b) (a) 图中红框区域的放大图像。

图4. 在生长条件 II 下，于无切角的 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 (a) 8 μm、(b) 2 μm和 (c) 0.5 μm 范围内的 AFM 图像以及 (d) 光学显微镜图像。在生长条件III下，具有 1° 切角的 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 (e) 8 μm、(f) 2 μm 和 (g) 0.5 μm 范围内的 AFM 图像以及 (h) 光学显微镜图像。

图5. 在不同切角的 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上生长的同质外延薄膜的原子力显微镜图像（扫描范围8 μm）、光学显微镜图像及X射线衍射摇摆曲线：(a) (b) (c) 2° 切角；(d) (e) (f) 4° 切角。

图6. 具有 (a) 2 μm 和 (b) 0.5 μm 范围的原子力显微镜图像，(c) 在4° 切角的 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上生长的外延薄膜的截面透射电子显微镜图像。

图7. 在 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上同质外延生长过程示意图，其中 (a) 为小切角，(b) 为大切角。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.183861