使用導模法生長4英寸β-Ga2O3 氧化鎵單晶性能分析

摘要 本文使用導模法（EFG）制備了4英寸氧化鎵（β-Ga2O3）單晶，并對晶體物相、結晶質量、缺陷、光學及電學 特性進行了研究。晶體不同方向勞厄（Laue）衍射斑點清晰一致，符合β-Ga2O3衍射特征。晶體（400）面搖擺曲線半峰 全寬（FWHM）為57.57″，通過化學腐蝕獲得其腐蝕坑位錯密度為1.06×104 cm-2。晶體在紫外截止邊為262.1 nm， 對應光學帶隙為4.67 eV。通過C-V測試分析獲得非故意摻雜晶體中的電子濃度為7.77×1016 cm-3。

關鍵詞： 氧化鎵；寬禁帶半導體；缺陷；晶體生長；導模法；單晶

引言

作為超寬禁帶半導體材料，氧化鎵禁帶寬度約4.8 eV、擊穿場強8 MV/cm、紫外截止邊約260 nm，同 時可采用熔體法低成本制備，成為寬禁帶半導體領域的研究熱點［1-3］。氧化鎵可用于制備功率器件、紫外探 測器、高能射線探測器，同時也可作為GaN、ZnO等半導體的襯底材料使用［4］。由于超高的擊穿場強和巴 利加優值，氧化鎵功率器件具有耐壓高、導通損耗低、開關速度快的優點。目前，氧化鎵二極管及場效應 晶體管器件耐壓均可達幾千伏，器件擊穿場強已超過SiC和GaN的理論極限［1］。 β-Ga2O3 結構是熱力學最穩定的結構，屬于單斜晶系，空間群為C2/m，其晶格常數：a=1.221 nm，b=0.303 nm，c=0.579 nm，a與c的夾角約為103.8°［5］。由于β-Ga2O3 是熱力學穩定相，通過熔體只能生長β-Ga2O3晶體。β-Ga2O3 晶體常用生長方法為光學浮區法、導模法、提拉法、布里奇曼法等［6-8］。不同晶體生長方法 各有特點，目前導模法和提拉法較為成熟，并且可以制備出2英寸（1英寸=2.54 cm）及以上單晶。由于 導電晶體具有較強自吸收的特性，提拉法晶體生長過程中界面控制難度較大，導致一般提拉法只能生長高阻β-Ga2O3 晶體［9］。導模法則既可生長高阻晶體也可生長導電晶體，是目前產品化襯底的主要制備方法。在單晶制備方面，日本Novel Crystal Technology目前已通過導模法實現了2~6英寸片狀晶體的生長［10］。德 國萊布尼茲晶體生長研究所、美國空軍實驗室及Northrop Grumman公司也通過提拉法生長獲得了高阻2 英寸晶體［1，11］。

本文通過導模法制備了4英寸β-Ga2O3單晶，晶體外形完整，通過勞厄衍射、高分辨X射線搖擺曲線 分析確認晶體結晶質量較高。采用濕法刻蝕的方法，研究了晶體腐蝕特性及位錯密度。通過C-V測試，確 認了晶體電子濃度。

1 實驗

1.1 晶體生長

晶體生長使用的原料為氧化鎵粉末，純度99.999%，采用中頻感應加熱，銥金發熱體、銥金模具，銥 金坩堝周圍放置氧化鋯作為保溫材料。采用《010》方向籽晶，晶體最大主面為（001）面，模具寬度為105 mm。氧化鎵粉末加熱熔化后，熔體會通過毛細作用上升到模具表面，通過籽晶誘導作用不斷提拉長大。圖1為 導模法生長4英寸β-Ga2O3 晶體。

1.2 性能測試與表征

濕法化學腐蝕使用質量分數為30%的KOH溶液，溫度為110 ℃，腐蝕時間90 min。

掃描電子顯微鏡（SEM）圖像使用FEI公司的Nova NanoSEM450掃描電子顯微鏡進行測試，電子束流強 度為0.6 pA~200 nA，著陸電壓為50 V~20 kV。

原子力顯微鏡（AFM）圖像使用Bruker公司的Bioscope Resolve型原子力顯微鏡，可實現快速掃描，掃描 速度不低于70 Hz。

高分辨X射線衍射設備來自Bruker AXS公司，型號為D8 Discover，靶材為Cu Kα1，波長λ為0.154056 nm。

勞厄衍射斑點圖使用Multiwire Laboratories公司的MWL 120型X射線勞厄衍射儀，X射線靶為鎢靶，光源焦斑尺寸小于0.5 mm×0.5 mm。

紫外光譜使用PerkinElmer Lambda950型紫外-可見-近紅外分析光度計進行測試，測試的波長范圍為 200~400 nm。

使用HHV auto 500電子束蒸發鍍膜系統在β-Ga2O3 （100）制備肖特基接觸Pt/Au（50 nm/50 nm）和歐姆接 觸Ti/Au（50 nm/50 nm）的垂直結構電極，其中圓點肖特基電極的直徑為360 μm。

C-V測試使用Keysight B1500 fA級半導體參數測試系統進行測試，測試頻率為1 MHz。

結果與討論

2.1 物相與晶體質量分析

為評估晶體質量，采用X射線勞厄衍射儀對晶體進行勞厄測試。圖2為晶體（010）和（001）面不同位置 的勞厄衍射斑點圖。衍射斑點與β-Ga2O3 理論衍射斑點一致，衍射斑點清晰對稱，無重疊現象，并且同一 晶面不同位置的衍射斑點圖具有高度一致性，說明晶體具有良好的單晶性，無孿晶存在。

圖2 β-Ga2O3單晶勞厄衍射圖 Fig. 2 Laue diffraction pattern of the β-Ga2O3 single crystal

采用濕法化學腐蝕技術對晶體質量進行表征，并采用SEM和AFM研究蝕坑形狀。圖3（a）和（b）分別為 在光學顯微鏡和SEM中觀察到化學腐蝕后（100）面晶片表面的形貌圖。從圖中可以看到晶體表面有三角形 蝕坑出現，頂點朝向c向。從SEM照片中可以看到清晰的蝕坑形狀，核心位于蝕坑的中上部，蝕坑左右 兩側的形狀呈對稱，采用AFM測量蝕坑深度約為1.27 μm。通過計算蝕坑數量得出位錯密度為1.06×104 cm- 2。另外，沒有發現（100）晶片表面密集且定向排列的蝕坑，說明晶體內無小角晶界缺陷。

圖3 晶體表面腐蝕形貌 Fig. 3 Morphology of crystal surface after chemical etching

除此之外，為進一步確定晶體的單晶質量，采用高分辨X射線衍射儀對晶體進行測試。圖4為β-Ga2O3單晶（400）面的搖擺曲線測試結果。搖擺曲線為對稱的單峰，半高寬僅為57.57″，無峰劈裂和肩峰的情況， 說明晶體中不含小角度晶界，結晶質量高。

圖4 β-Ga2O3 （400）面搖擺曲線 Fig. 4 X-ray rocking curve of β-Ga2O3 （400） plane

2.2 光電性能

圖5為β-Ga2O3晶體C-V曲線圖，由公式可得β-Ga2O3 的載流子濃度為7.77×1016 cm- 3，其中S為電極接觸面積、εr為相對介電常數、ε 0 為真空介電常數、N為載流子濃度?？梢钥闯龇枪室?摻雜晶體具有一定的載流子濃度，目前已有研究表明Si元素在β-Ga2O3 晶體中是很好的淺施主雜質［12］，并 且有研究人員利用雜化泛函計算出氧空位在晶體中以深能級的形式存在，其激活能高達1 eV，不能作為n 型背景電子的根本來源［13］。所以如今研究者普遍認為雜質是造成非故意摻雜襯底n型導電的原因。因此猜 測晶體中的施主可能來源于原料中的Si等n型雜質離子。

圖5 β-Ga2O3晶體C-V曲線圖 Fig. 5 C-V curve of β-Ga2O3 crystal

晶體的紫外透過光譜如圖6（a）所示，當波長為λ的光入射到半導體表面時，光激發產生電子-空穴對的 條件是，Eg為禁帶寬度、h為普朗克常量、c為光速，即半導體的禁帶寬度決定了材料的紫外截 止邊。β-Ga2O3 紫外截止邊為到262.1 nm，通過外推法得到晶體的禁帶寬度為4.67 eV，如圖6（b）所示。

圖6 β-Ga2O3晶體的紫外波段透過光譜及禁帶寬度推算 Fig.6 Transmission spectra in ultraviolet band of the β-Ga2O3 crystal and its calculated bandgap

3 結 論

本文使用導模法生長了4英寸β-Ga2O3 單晶，晶體具有較高的結晶質量，勞厄斑點清晰、對稱，晶體（400） 面搖擺曲線半高寬僅為57.57″。采用濕法化學腐蝕技術對晶體質量進行表征，晶體表面有三角形蝕坑出現， 頂點朝向c向位錯密度為1.06×104 cm-2。通過C-V測試確認β-Ga2O3 晶體中載流子濃度為7.77×1016 cm-3，晶 體中的施主可能來源于原料中的Si等n型雜質離子。本研究通過導模法獲得了高質量4英寸β-Ga2O3 單晶， 為下一步國內β-Ga2O3 材料與器件發展奠定了良好基礎。

論文信息作者：穆文祥，賈志泰，陶緒堂

來源：https://doi.org/10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20220831.001.人工晶體學報

編輯：黃飛