近日，寬禁帶半導(dǎo)體國(guó)家工程研究中心馬曉華教授團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)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(cè)等領(lǐng)域具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。然而，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)制備(001)晶面β-Ga2O3外延層時(shí)，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(shí)現(xiàn)高平整度、低缺陷的薄膜外延生長(zhǎng)，成為全球該領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)研究人員針對(duì)上述挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性地提出了原位脈沖鋁原子輔助生長(zhǎng)方法。通過(guò)精確調(diào)控鋁原子的脈沖注入時(shí)序與濃度，在外延生長(zhǎng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)三重作用機(jī)制：定向成核，鋁原子可作為優(yōu)先成核位點(diǎn)，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(kuò)散，減弱隨機(jī)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(zhǎng)機(jī)理示意圖

實(shí)驗(yàn)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)還首次觀測(cè)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(zhǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控提供了新的思路。

圖2 HRTEM與SAED測(cè)試結(jié)果及原理

基于該技術(shù)制備的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）展現(xiàn)出1.8 MV/cm的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，驗(yàn)證了高質(zhì)量外延材料對(duì)器件性能的關(guān)鍵作用。該成果將有力支撐我國(guó)在超高壓電力電子領(lǐng)域的自主創(chuàng)新，助力突破國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性成果，研究團(tuán)隊(duì)已圍繞脈沖鋁原子輔助生長(zhǎng)技術(shù)布局多項(xiàng)核心專利，覆蓋關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)。目前，團(tuán)隊(duì)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(chǎng)景的應(yīng)用，有望推動(dòng)我國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。