本研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 這種超寬禁帶半導體材料。β-Ga₂O₃ 具有4.8 eV的帶隙和高達8 MV/cm的擊穿電場，被認為是高功率、高效率電子器件的理想候選材料。目前，通過 Si 或 Sn 摻雜可實現 n 型 β-Ga₂O₃，并在肖特基勢壘二極管（SBD）中已展現出優異的性能，如高達 2.89 kV 的擊穿電壓和低導通電阻。這些高性能器件通常依賴鹵化物氣相外延（HVPE）技術生長的高質量 β-Ga₂O₃ 外延層。然而，盡管 HVPE 能實現快速生長和高品質晶層，器件中仍存在導致反向漏電流升高、擊穿電壓降低的“致命缺陷”，其形成機理尚未明確。過去研究已識別出多種缺陷類型，包括空洞、多晶區、堆垛層錯、位錯及表面溝槽等。基于此，本研究進一步發現 HVPE 生長的 (001) β-Ga₂O₃ 外延層中存在由堆垛層錯誘發的微裂紋，并首次揭示其晶面特征及周圍的位錯網絡結構，從而闡明了此類微裂紋在 SBDs 中引起高反向漏電的關鍵作用。

二、 主要內容

本研究報道了在鹵化物氣相外延（HVPE）法生長的 (001) β-Ga₂O₃ 外延層中存在的微裂紋，是肖特基勢壘二極管（SBD）中的致命缺陷。這些微裂紋為 (100) 取向，典型長度為 1.7–5.1 μm，深度為 0.48–2.2 μm。它們伴隨著 (111) 或 (1-11) 堆垛層錯及位錯網絡的形成，導致 SBD 中出現較大的反向漏電流。堆垛層錯在 HVPE 生長過程中產生，而微裂紋則被認為是在生長或退火過程中，由 [100] 與 [010] 方向熱膨脹系數差異所引起的拉伸應變導致的。在反向偏壓 −80 V 下，微裂紋底部的電場強度可達 6.0 MV/cm，從而在 SBD 中產生反向漏電流。

三、 總結

在本研究中，發現在 EFG (001) β-Ga₂O₃ 襯底上通過 HVPE 法生長的 (001) β-Ga₂O₃ 外延層中出現的微裂紋是肖特基勢壘二極管（SBD）中的致命缺陷。這些微裂紋為 (100) 取向，典型長度為 1.7–5.1 μm，深度為 0.48–2.2 μm。它們由堆垛層錯引起，并形成反向漏電流通道 [在 −80 V 下為 896 nA（8.87 μA/cm²）]。這些堆垛層錯為 (1±11) 晶面，表明其在 HVPE 生長過程中產生。隨后，在微裂紋和堆垛層錯周圍觀察到了位錯網絡的形成。

通過模擬，證明微裂紋末端的電場在 −80 V 下集中達到 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集中是引發 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，對應面積為 1.01 × 10^-1 cm²）的方圓形（squircle）肖特基勢壘二極管（SBD）#C0732（紅色）和 #G0332（藍色）的 I–V 特性曲線。

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

圖 3. 對 SBD #C0732 進行 g = 225 衍射條件下的 X 射線拓撲圖像。箭頭所示為對齊缺陷的位置。