NCT技术总监佐佐木公平团队联合及佐贺大学：堆垛层错引起的(001)β相氧化镓(100)微裂纹及SBD反向漏电流研究

本研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 这种超宽禁带半导体材料。β-Ga₂O₃ 具有4.8 eV的带隙和高达8 MV/cm的击穿电场，被认为是高功率、高效率电子器件的理想候选材料。目前，通过 Si 或 Sn 掺杂可实现 n 型 β-Ga₂O₃，并在肖特基势垒二极管（SBD）中已展现出优异的性能，如高达 2.89 kV 的击穿电压和低导通电阻。这些高性能器件通常依赖卤化物气相外延（HVPE）技术生长的高质量 β-Ga₂O₃ 外延层。然而，尽管 HVPE 能实现快速生长和高品质晶层，器件中仍存在导致反向漏电流升高、击穿电压降低的“致命缺陷”，其形成机理尚未明确。过去研究已识别出多种缺陷类型，包括空洞、多晶区、堆垛层错、位错及表面沟槽等。基于此，本研究进一步发现 HVPE 生长的 (001) β-Ga₂O₃ 外延层中存在由堆垛层错诱发的微裂纹，并首次揭示其晶面特征及周围的位错网络结构，从而阐明了此类微裂纹在 SBDs 中引起高反向漏电的关键作用。

二、 主要内容

本研究报道了在卤化物气相外延（HVPE）法生长的 (001) β-Ga₂O₃ 外延层中存在的微裂纹，是肖特基势垒二极管（SBD）中的致命缺陷。这些微裂纹为 (100) 取向，典型长度为 1.7–5.1 μm，深度为 0.48–2.2 μm。它们伴随着 (111) 或 (1-11) 堆垛层错及位错网络的形成，导致 SBD 中出现较大的反向漏电流。堆垛层错在 HVPE 生长过程中产生，而微裂纹则被认为是在生长或退火过程中，由 [100] 与 [010] 方向热膨胀系数差异所引起的拉伸应变导致的。在反向偏压 −80 V 下，微裂纹底部的电场强度可达 6.0 MV/cm，从而在 SBD 中产生反向漏电流。

三、 总结

在本研究中，发现在 EFG (001) β-Ga₂O₃ 衬底上通过 HVPE 法生长的 (001) β-Ga₂O₃ 外延层中出现的微裂纹是肖特基势垒二极管（SBD）中的致命缺陷。这些微裂纹为 (100) 取向，典型长度为 1.7–5.1 μm，深度为 0.48–2.2 μm。它们由堆垛层错引起，并形成反向漏电流通道 [在 −80 V 下为 896 nA（8.87 μA/cm²）]。这些堆垛层错为 (1±11) 晶面，表明其在 HVPE 生长过程中产生。随后，在微裂纹和堆垛层错周围观察到了位错网络的形成。

通过模拟，证明微裂纹末端的电场在 −80 V 下集中达到 6.0 MV/cm，约为平坦表面的五倍。这表明 HVPE 层中微裂纹末端的电场集中是引发 SBD 反向漏电流的主要原因。

图 1. 同一晶圆上具有相同宽度（3200 μm，对应面积为 1.01 × 10^-1 cm²）的方圆形（squircle）肖特基势垒二极管（SBD）#C0732（红色）和 #G0332（蓝色）的 I–V 特性曲线。

图 2. (a) SBD #C0732 在 −80 V 反向偏置下的发光显微镜图像，测得电流为 896 nA。颜色条表示光强。 (b) 发光图案 #1 和 #6 区域的放大图。

图 3. 对 SBD #C0732 进行 g = 225 衍射条件下的 X 射线拓扑图像。箭头所示为对齐缺陷的位置。