近日，寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心馬曉華教授團(tuán)隊何云龍副教授、陸小力教授等人在Elsevier旗下權(quán)威期刊《Journal of Materiomics》發(fā)表題為“(001) β-Ga2O3 epitaxial layer grown with in-situ pulsed Al atom assisted method by MOCVD”的科研成果。該研究創(chuàng)新性提出了脈沖鋁原子輔助生長技術(shù)，成功突破了氧化鎵外延材料制備關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，為新一代高功率電子器件研發(fā)奠定基礎(chǔ)。
氧化鎵作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，在超高壓電力電子、深紫外探測等領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略價值。然而，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)制備(001)晶面β-Ga2O3外延層時，面臨表面粗糙度高、界面缺陷密度大等難題，嚴(yán)重制約器件性能與可靠性。如何實現(xiàn)高平整度、低缺陷的薄膜外延生長，成為全球該領(lǐng)域的研究焦點。
團(tuán)隊研究人員針對上述挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性地提出了原位脈沖鋁原子輔助生長方法。通過精確調(diào)控鋁原子的脈沖注入時序與濃度，在外延生長過程中實現(xiàn)三重作用機制：定向成核，鋁原子可作為優(yōu)先成核位點，優(yōu)化晶格排列取向；抑制副反應(yīng)，有效抑制副產(chǎn)物的生成與解吸附，減少氧空位缺陷；界面重構(gòu)，促進(jìn)原子擴散，減弱隨機島狀成核，顯著改善外延層與襯底的界面質(zhì)量。
圖1 外延生長機理示意圖
實驗數(shù)據(jù)顯示，新方法制備的外延層表面粗糙度（RMS）降低超過50%，X射線搖擺曲線半高寬（FWHM）低至45.2弧秒，氧空位缺陷密度下降達(dá)一個數(shù)量級。研究團(tuán)隊還首次觀測到外延取向旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并提出了旋轉(zhuǎn)角度與表面平整度的關(guān)聯(lián)理論模型，為材料外延生長的精準(zhǔn)調(diào)控提供了新的思路。
圖2 HRTEM與SAED測試結(jié)果及原理
基于該技術(shù)制備的肖特基勢壘二極管（SBD）展現(xiàn)出1.8 MV/cm的擊穿場強，驗證了高質(zhì)量外延材料對器件性能的關(guān)鍵作用。該成果將有力支撐我國在超高壓電力電子領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，助力突破國外技術(shù)封鎖。
圖3 SBD的正向與反向IV特性
作為完全自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果，研究團(tuán)隊已圍繞脈沖鋁原子輔助生長技術(shù)布局多項核心專利，覆蓋關(guān)鍵工藝節(jié)點。目前，團(tuán)隊正與產(chǎn)業(yè)界合作推進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化，加速氧化鎵材料在新能源汽車、智能電網(wǎng)等場景的應(yīng)用，有望推動我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
論文信息：
(001) β-Ga2O3 epitaxial layer grown with in-situ pulsed Al atom assisted method by MOCVD
He, Yunlong; Liu, Yang; Lu, Xiaoli; Wang, Zhan; Song, Xianqiang; Zhou, Ying; Zheng, Xuefeng; Ma, Xiaohua; Hao, Yue
Journal of Materiomics
DOI:10.1016/j.jmat.2024.100981
論文原文：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S235284782400220X?sessionid=-606906435
（來源：寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心）
