本研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 這種超寬禁帶半導(dǎo)體材料。β-Ga₂O₃ 具有4.8 eV的帶隙和高達(dá)8 MV/cm的擊穿電場(chǎng)，被認(rèn)為是高功率、高效率電子器件的理想候選材料。目前，通過(guò) Si 或 Sn 摻雜可實(shí)現(xiàn) n 型 β-Ga₂O₃，并在肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）中已展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如高達(dá) 2.89 kV 的擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻。這些高性能器件通常依賴鹵化物氣相外延（HVPE）技術(shù)生長(zhǎng)的高質(zhì)量 β-Ga₂O₃ 外延層。然而，盡管 HVPE 能實(shí)現(xiàn)快速生長(zhǎng)和高品質(zhì)晶層，器件中仍存在導(dǎo)致反向漏電流升高、擊穿電壓降低的“致命缺陷”，其形成機(jī)理尚未明確。過(guò)去研究已識(shí)別出多種缺陷類型，包括空洞、多晶區(qū)、堆垛層錯(cuò)、位錯(cuò)及表面溝槽等。基于此，本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn) HVPE 生長(zhǎng)的 (001) β-Ga₂O₃ 外延層中存在由堆垛層錯(cuò)誘發(fā)的微裂紋，并首次揭示其晶面特征及周圍的位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而闡明了此類微裂紋在 SBDs 中引起高反向漏電的關(guān)鍵作用。

二、 主要內(nèi)容

本研究報(bào)道了在鹵化物氣相外延（HVPE）法生長(zhǎng)的 (001) β-Ga₂O₃ 外延層中存在的微裂紋，是肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）中的致命缺陷。這些微裂紋為 (100) 取向，典型長(zhǎng)度為 1.7–5.1 μm，深度為 0.48–2.2 μm。它們伴隨著 (111) 或 (1-11) 堆垛層錯(cuò)及位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的形成，導(dǎo)致 SBD 中出現(xiàn)較大的反向漏電流。堆垛層錯(cuò)在 HVPE 生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生，而微裂紋則被認(rèn)為是在生長(zhǎng)或退火過(guò)程中，由 [100] 與 [010] 方向熱膨脹系數(shù)差異所引起的拉伸應(yīng)變導(dǎo)致的。在反向偏壓 −80 V 下，微裂紋底部的電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá) 6.0 MV/cm，從而在 SBD 中產(chǎn)生反向漏電流。

三、 總結(jié)

在本研究中，發(fā)現(xiàn)在 EFG (001) β-Ga₂O₃ 襯底上通過(guò) HVPE 法生長(zhǎng)的 (001) β-Ga₂O₃ 外延層中出現(xiàn)的微裂紋是肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）中的致命缺陷。這些微裂紋為 (100) 取向，典型長(zhǎng)度為 1.7–5.1 μm，深度為 0.48–2.2 μm。它們由堆垛層錯(cuò)引起，并形成反向漏電流通道 [在 −80 V 下為 896 nA（8.87 μA/cm²）]。這些堆垛層錯(cuò)為 (1±11) 晶面，表明其在 HVPE 生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生。隨后，在微裂紋和堆垛層錯(cuò)周圍觀察到了位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)的形成。

通過(guò)模擬，證明微裂紋末端的電場(chǎng)在 −80 V 下集中達(dá)到 6.0 MV/cm，約為平坦表面的五倍。這表明 HVPE 層中微裂紋末端的電場(chǎng)集中是引發(fā) SBD 反向漏電流的主要原因。

圖 1. 同一晶圓上具有相同寬度（3200 μm，對(duì)應(yīng)面積為 1.01 × 10^-1 cm²）的方圓形（squircle）肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）#C0732（紅色）和 #G0332（藍(lán)色）的 I–V 特性曲線。

圖 2. (a) SBD #C0732 在 −80 V 反向偏置下的發(fā)光顯微鏡圖像，測(cè)得電流為 896 nA。顏色條表示光強(qiáng)。 (b) 發(fā)光圖案 #1 和 #6 區(qū)域的放大圖。

圖 3. 對(duì) SBD #C0732 進(jìn)行 g = 225 衍射條件下的 X 射線拓?fù)鋱D像。箭頭所示為對(duì)齊缺陷的位置。