4英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)與性能分析

摘要

本文使用導(dǎo)模法（EFG）制備了4英寸氧化鎵（β-Ga2O3）單晶，并對(duì)晶體物相、結(jié)晶質(zhì)量、缺陷、光學(xué)及電學(xué) 特性進(jìn)行了研究。晶體不同方向勞厄（Laue）衍射斑點(diǎn)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(guò)化學(xué)腐蝕獲得其腐蝕坑位錯(cuò)密度為1.06×104 cm-2。晶體在紫外截止邊為262.1 nm， 對(duì)應(yīng)光學(xué)帶隙為4.67 eV。通過(guò)C-V測(cè)試分析獲得非故意摻雜晶體中的電子濃度為7.77×1016 cm-3。

引言

作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，氧化鎵禁帶寬度約4.8 eV、擊穿場(chǎng)強(qiáng)8 MV/cm、紫外截止邊約260 nm，同 時(shí)可采用熔體法低成本制備，成為寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［1-3］。氧化鎵可用于制備功率器件、紫外探 測(cè)器、高能射線探測(cè)器，同時(shí)也可作為GaN、ZnO等半導(dǎo)體的襯底材料使用［4］。由于超高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和巴 利加優(yōu)值，氧化鎵功率器件具有耐壓高、導(dǎo)通損耗低、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)。目前，氧化鎵二極管及場(chǎng)效應(yīng) 晶體管器件耐壓均可達(dá)幾千伏，器件擊穿場(chǎng)強(qiáng)已超過(guò)SiC和GaN的理論極限［1］。

β-Ga2O3 結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，屬于單斜晶系，空間群為C2/m，其晶格常數(shù)：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(xué)穩(wěn)定相，通過(guò)熔體只能生長(zhǎng)β-Ga2O3晶體。β-Ga2O3 晶體常用生長(zhǎng)方法為光學(xué)浮區(qū)法、導(dǎo)模法、提拉法、布里奇曼法等［6-8］。不同晶體生長(zhǎng)方法 各有特點(diǎn)，目前導(dǎo)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(dǎo)電晶體具有較強(qiáng)自吸收的特性，提拉法晶體生長(zhǎng)過(guò)程中界面控制難度較大，導(dǎo)致一般提拉法只能生長(zhǎng)高阻β-Ga2O3 晶體［9］。導(dǎo)模法則既可生長(zhǎng)高阻晶體也可生長(zhǎng)導(dǎo)電晶體，是目前產(chǎn)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(guò)導(dǎo)模法實(shí)現(xiàn)了2~6英寸片狀晶體的生長(zhǎng)［10］。德 國(guó)萊布尼茲晶體生長(zhǎng)研究所、美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室及Northrop Grumman公司也通過(guò)提拉法生長(zhǎng)獲得了高阻2 英寸晶體［1，11］。

本文通過(guò)導(dǎo)模法制備了4英寸β-Ga2O3單晶，晶體外形完整，通過(guò)勞厄衍射、高分辨X射線搖擺曲線 分析確認(rèn)晶體結(jié)晶質(zhì)量較高。采用濕法刻蝕的方法，研究了晶體腐蝕特性及位錯(cuò)密度。通過(guò)C-V測(cè)試，確 認(rèn)了晶體電子濃度。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 晶體生長(zhǎng)

晶體生長(zhǎng)使用的原料為氧化鎵粉末，純度99.999%，采用中頻感應(yīng)加熱，銥金發(fā)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(huì)通過(guò)毛細(xì)作用上升到模具表面，通過(guò)籽晶誘導(dǎo)作用不斷提拉長(zhǎng)大。圖1為 導(dǎo)模法生長(zhǎng)4英寸β-Ga2O3 晶體。

圖1所示。4英寸β-Ga Fig.1 Photograph of 4-inch β-Ga2O3 crystal

1.2 性能測(cè)試與表征

濕法化學(xué)腐蝕使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的KOH溶液，溫度為110 ℃，腐蝕時(shí)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(jìn)行測(cè)試，電子束流強(qiáng) 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(shí)現(xiàn)快速掃描，掃描 速度不低于70 Hz。

高分辨X射線衍射設(shè)備來(lái)自Bruker AXS公司，型號(hào)為D8 Discover，靶材為Cu Kα1，波長(zhǎng)λ為0.154056 nm。

勞厄衍射斑點(diǎn)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(jiàn)-近紅外分析光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的波長(zhǎng)范圍為 200~400 nm。

使用HHV auto 500電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)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(jié)構(gòu)電極，其中圓點(diǎn)肖特基電極的直徑為360 μm。

C-V測(cè)試使用Keysight B1500 fA級(jí)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻率為1 MHz。

結(jié)果與討論

2.1 物相與晶體質(zhì)量分析

為評(píng)估晶體質(zhì)量，采用X射線勞厄衍射儀對(duì)晶體進(jìn)行勞厄測(cè)試。圖2為晶體（010）和（001）面不同位置 的勞厄衍射斑點(diǎn)圖。衍射斑點(diǎn)與β-Ga2O3 理論衍射斑點(diǎn)一致，衍射斑點(diǎn)清晰對(duì)稱，無(wú)重疊現(xiàn)象，并且同一 晶面不同位置的衍射斑點(diǎn)圖具有高度一致性，說(shuō)明晶體具有良好的單晶性，無(wú)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(xué)腐蝕技術(shù)對(duì)晶體質(zhì)量進(jìn)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(xué)顯微鏡和SEM中觀察到化學(xué)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(xiàn)，頂點(diǎn)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(cè)的形狀呈對(duì)稱，采用AFM測(cè)量蝕坑深度約為1.27 μm。通過(guò)計(jì)算蝕坑數(shù)量得出位錯(cuò)密度為1.06×104 cm- 2。另外，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)（100）晶片表面密集且定向排列的蝕坑，說(shuō)明晶體內(nèi)無(wú)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(jìn)一步確定晶體的單晶質(zhì)量，采用高分辨X射線衍射儀對(duì)晶體進(jìn)行測(cè)試。圖4為β-Ga2O3單晶（400）面的搖擺曲線測(cè)試結(jié)果。搖擺曲線為對(duì)稱的單峰，半高寬僅為57.57″，無(wú)峰劈裂和肩峰的情況， 說(shuō)明晶體中不含小角度晶界，結(jié)晶質(zhì)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(duì)介電常數(shù)、ε 0 為真空介電常數(shù)、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(zhì)［12］，并 且有研究人員利用雜化泛函計(jì)算出氧空位在晶體中以深能級(jí)的形式存在，其激活能高達(dá)1 eV，不能作為n 型背景電子的根本來(lái)源［13］。所以如今研究者普遍認(rèn)為雜質(zhì)是造成非故意摻雜襯底n型導(dǎo)電的原因。因此猜 測(cè)晶體中的施主可能來(lái)源于原料中的Si等n型雜質(zhì)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(guò)光譜如圖6（a）所示，當(dāng)波長(zhǎng)為λ的光入射到半導(dǎo)體表面時(shí)，光激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的 條件是，Eg為禁帶寬度、h為普朗克常量、c為光速，即半導(dǎo)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(guò)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(guò)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(jié) 論

本文使用導(dǎo)模法生長(zhǎng)了4英寸β-Ga2O3 單晶，晶體具有較高的結(jié)晶質(zhì)量，勞厄斑點(diǎn)清晰、對(duì)稱，晶體（400） 面搖擺曲線半高寬僅為57.57″。采用濕法化學(xué)腐蝕技術(shù)對(duì)晶體質(zhì)量進(jìn)行表征，晶體表面有三角形蝕坑出現(xiàn)， 頂點(diǎn)朝向c向位錯(cuò)密度為1.06×104 cm-2。通過(guò)C-V測(cè)試確認(rèn)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(lái)源于原料中的Si等n型雜質(zhì)離子。本研究通過(guò)導(dǎo)模法獲得了高質(zhì)量4英寸β-Ga2O3 單晶， 為下一步國(guó)內(nèi)β-Ga2O3 材料與器件發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

審核編輯 ：李倩