6月，《Journal of Semiconductors》期刊发表来自集成攻关大平台贾志泰教授团队的论文“Rapid epitaxy of 2-inch and high-qualityα-Ga₂O₃films by Mist-CVD method, J. Semicond, 2023, DOI 10.1088/1674-4926/44/6/062803”(第一作者王晓杰，通信作者穆文祥，李阳)，该论文在2英寸蓝宝石衬底上通过Mist-CVD方法制备出高质量α-Ga₂O₃外延膜。他们在该工作中系统研究了衬底安装位置对α-Ga₂O₃外延膜生长速率的影响以及生长温度对α-Ga₂O₃外延膜晶体质量的影响。成功通过Mist-CVD方法实现快速制备高质量α-Ga₂O₃外延膜。

氧化镓(Ga₂O₃)作为超宽禁带半导体材料，未来在功率器件、深紫外光电器件、微波器件等领域有着广阔的应用前景。氧化镓材料具有五种常见的晶相，分别为α、β、γ、ε、δ，其中亚稳相α-Ga₂O₃在氧化镓材料家族中表现出更大的禁带宽度(5.3 eV)、更高的击穿场强(10MV/cm)以及更优异的巴利加优值(6276)，近年来吸引了业界内的广泛关注。目前，用于制备α-Ga₂O₃的方法主要包含Hydride Vapor Phase Epitaxy(HVPE)，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition(MOCVD)，Molecular Beam Epitaxy(MBE)以及Mist Chemical-Vapor Deposition(Mist-CVD)等方法。其中Mist-CVD方法由于设备结构简单、搭建成本与维护成本低、安全可靠等特点常应用于α-Ga₂O₃外延膜的制备。然而，过低的生长速率限制了未来α-Ga₂O₃外延膜的商业化应用，外延膜质量也有待进一步提高。因此，该论文以开发mist-CVD生长系统快速制备高质量2英寸α-Ga₂O₃外延膜，提供半导体器件材料支撑为核心，系统开展了关于mist-CVD法快速制备大尺寸α-Ga₂O₃外延膜的一系列研究。

论文中衬底安装位置对α-Ga₂O₃外延膜生长速率的影响以及生长温度对α-Ga₂O₃外延膜晶体质量的影响。通过优化蓝宝石衬底的安装位置能够减缓前驱体在传输过程中的损耗，有效提升α-Ga₂O₃外延膜的生长速率，最快可达1.45μm/h，比之前Mist-CVD法的报道值更快。通过优化生长温度，在α-Ga₂O₃外延膜中有效抑制了其它晶相的出现，提升α-Ga₂O₃外延膜晶体质量。如图1所示，该团队将蓝宝石衬底位置调节至z=50mm处，生长温度在500 ~ 580 °C范围内进行调节，当生长温度超过560℃时，薄膜中出现ε-Ga₂O₃杂相，在540 °C下制备的α-Ga₂O₃薄膜具有最高的结晶质量（图1b），其( 0006 )晶面的FWHM为0.023°(82.8 arcsec )，相应的螺型位错为2.3×10⁶cm^-2。随着薄膜质量的提高，α-Ga₂O₃薄膜的光学透过率（图1c）在285 nm波长处的透过率大于90 %。随着晶体质量的增加，光谱发生蓝移（图1d），薄膜的禁带宽度从5.20 eV增加到5.36 eV，接近α-Ga₂O₃理论带隙5.3 eV，表明生长的α-Ga₂O₃单晶薄膜拥有良好的结晶质量。如图2所示，2英寸α-Ga₂O₃外延膜不同区域(0006)面摇摆曲线半峰宽在73-89 arcsec之间，表现出良好的晶体质量均匀性。综上所述，该团队通过生长工艺优化，实现了mist-CVD生长系统快速制备高质量2英寸α-Ga₂O₃外延膜，对促进α-Ga₂O₃外延膜未来实现商业化应用起到了积极作用。

图1：(a)蓝宝石衬底位置z=50mm，生长温度500-580℃下制备的α-Ga₂O₃外延膜的粉末XRD谱图、(b) (0006)晶面摇摆曲线、(c)透过光谱、(d)光学带隙。

图2：(a) 2英寸α-Ga₂O₃外延膜点位分布图(p1-p5); (b) p1-p5点位α-Ga₂O₃(0006)晶面摇摆曲线。