"看不見的隱患”，氧化鎵襯底缺陷如何影響器件性能？

一片襯底能否真正用于器件制造，不能只看尺寸，也不能只看表面是否光亮平整。隱藏在晶體內部和加工表層中的缺陷，往往會對后續外延質量和器件可靠性產生重要影響。

在β-Ga₂O₃單晶中，點缺陷、位錯、線狀缺陷、納米管以及加工損傷等問題，可能來自晶體生長過程，也可能產生于切割、研磨和拋光環節。它們有的只是材料中的局部缺陷，有的卻可能貫穿襯底、連接電流路徑，最終表現為器件漏電升高、擊穿性能下降或可靠性波動。

本期我們將從這些典型缺陷出發，討論氧化鎵襯底缺陷的來源、表征方式及其對外延和器件性能的影響。

在垂直功率器件中，電流需要穿過外延層和襯底。如果襯底中存在貫穿型缺陷，或者缺陷在外延生長中繼續延伸，就可能直接影響器件的反向漏電、擊穿電壓和長期可靠性。因此，理解氧化鎵襯底缺陷的類型、來源和影響，是推動其器件產業化的重要基礎。

目前，表征β-Ga₂O₃晶體缺陷常用的方法包括刻蝕坑密度統計、X射線形貌術（XRT）、透射電子顯微鏡（TEM）、偏光顯微鏡以及原子力顯微鏡（AFM）等。其中，刻蝕坑密度（Etch Pit Density, EPD）是評價晶體缺陷密度的常用指標之一。不同生長方法、晶面取向和腐蝕條件下，β-Ga₂O₃的EPD數值會有所差異，文獻報道中常見數值可達10³-10⁵ cm^-2量級^[1]。

點缺陷通常發生在原子尺度，包括氧空位、鎵空位、間隙原子、反位缺陷以及雜質原子等。與刻蝕坑、線狀缺陷等不同，點缺陷一般不會在顯微鏡下表現為明顯的形貌異常，因此很難通過常規表面觀察直接識別。

對于β-Ga₂O₃襯底而言，點缺陷的影響主要體現在電學性能上。一方面，氧空位、雜質等相關缺陷可能改變材料的載流子濃度，使襯底表現出不同程度的導電性。同時，一些點缺陷或缺陷復合體還可能形成深能級陷阱，在器件工作過程中反復俘獲和釋放載流子，從而引起電流漂移、響應滯后、閾值不穩定等問題。

因此，盡管點缺陷很難直接觀察，但它們對 β-Ga₂O₃襯底的導電類型、陷阱行為和器件可靠性有著不容忽視的影響。

除點缺陷外，β-Ga₂O₃襯底中還存在位錯、層錯和孿晶界等結構缺陷。其中，位錯屬于線缺陷（一維缺陷）；層錯和孿晶界屬于面缺陷（二維缺陷）。與點缺陷相比，這類缺陷不再局限于單個原子位置，而是在晶體中沿特定方向或平面延展，因此會對晶體局部結構完整性和電學均勻性產生影響。

位錯會破壞局部晶格完整性，并可能在選擇性腐蝕后形成特征刻蝕坑；層錯和孿晶界則會引起局部原子排列或晶體取向的改變。因此，控制結構缺陷是提升氧化鎵襯底質量和器件穩定性的關鍵環節。

β-Ga₂O₃較為典型的一類三維缺陷是與[010]方向相關的線狀缺陷或管狀缺陷^[2]。由于β-Ga₂O₃屬于單斜晶系，晶體結構具有顯著各向異性，不同晶向上的原子排列、生長速率和缺陷擴展行為存在差異，這使得部分缺陷更容易沿特定方向延伸。

如圖 1所示，在VB法生長的β-Ga₂O₃晶體中，經熱磷酸腐蝕后可以觀察到明顯的線狀缺陷（line-shaped defects）。這類缺陷通常與晶體生長過程中的各向異性、熱應力以及界面穩定性有關。

圖1. VB法生長晶體不同晶面上的線狀缺陷^[3]

類似形貌的缺陷也在EFG法生長的β-Ga₂O₃ 晶體中被報道。其中較典型的是納米管缺陷（nanopipe）。納米管可以理解為沿特定晶向延伸的中空管狀缺陷，常沿[010]方向呈直線排列，如圖 2所示。有研究認為，這類缺陷可能與高溫生長過程中氧化鎵熔體分解、揮發性亞氧化物形成以及局部生長界面不穩定等因素有關^[4]。

圖2. EFG法生長(001)面晶體中的納米管缺陷^[4]

對于EFG法而言，納米管缺陷并非不可控制。通過優化氧分壓、生長溫度、提拉速率、模具結構和熱場分布，可以在一定程度上降低其形成概率。換句話說，納米管缺陷既反映了β-Ga₂O₃晶體本身的各向異性特征，也體現了熔體法生長過程中對界面穩定性和氣氛控制的要求。

刻蝕坑并不是缺陷本身，而是晶體缺陷在選擇性腐蝕后顯現出的表面形貌。對于β-Ga₂O₃襯底而言，位錯、空洞、納米管或局部應力集中區域往往會被優先腐蝕，從而形成不同形貌的刻蝕坑。因此，刻蝕坑密度常用于評估晶體缺陷水平，而其形貌和分布特征也可為判斷缺陷類型提供參考。不過，刻蝕坑形貌受晶面取向和腐蝕條件影響較大，缺陷來源通常還需結合XRT、TEM等表征進一步確認。

如圖 3所示，研究人員選取導模法生長的主面為(-201)取向的氧化鎵晶體，并對其(010)截面進行了選擇性腐蝕觀察，發現其表面呈現出多種典型刻蝕坑形貌^[5]。文獻中通常根據形貌差異將其分為不同類型。其中，部分刻蝕坑與空洞類缺陷相關，隨著腐蝕時間延長，其形貌會逐漸發生變化；另一些刻蝕坑則與位錯相關，通常表現出更加穩定且具有特征性的形貌。

圖3. 同一位置不同刻蝕時間下(010)面氧化鎵上的典型刻蝕坑形貌^[5]

需要注意的是，刻蝕坑形貌與晶面取向密切相關。對于EFG法生長的β-Ga₂O₃襯底，不同主面上常見的刻蝕坑形貌并不完全相同。例如，在(-201)主面上常觀察到葫蘆形刻蝕坑，而在(001)主面上則可出現類似子彈頭形貌的刻蝕坑。這種差異反映了β-Ga₂O₃晶體各向異性對腐蝕行為和缺陷顯現方式的影響。

VB法生長晶體的不同晶面上也可以觀察到類似的刻蝕坑差異，如圖 4所示。不同晶面上刻蝕坑的形狀、分布和密度，可以幫助判斷晶體內部缺陷的空間分布及其與生長方向之間的關系。

圖4. VB 法生長晶體不同晶面上的主要刻蝕坑形貌^[3]

因此，刻蝕坑并不只是簡單的表面形貌，而是理解β-Ga₂O₃晶體缺陷結構的重要入口。通過結合刻蝕坑統計、XRT和TEM等手段，可以更準確地區分位錯、空洞、納米管等不同缺陷類型。

圖5.鎵和半導體EFG法(001)面氧化鎵襯底表面不同區域刻蝕坑形貌及密度分布

如圖 5所示，鎵和半導體EFG法制備的(001)面氧化鎵襯底不同區域經選擇性腐蝕后，表面整體較為平整，僅觀察到少量離散刻蝕坑。五個測試點的刻蝕坑密度處于10²-10³cm^-2 量級，最低約267 cm^-2，表明該襯底具有較好的晶體完整性和片內質量一致性，可為后續同質外延和器件制備提供良好基礎。

除了長晶過程中形成的原生缺陷，襯底加工過程也可能引入新的損傷。β-Ga₂O₃襯底從晶體到晶圓，需要經歷切割、研磨、減薄和化學機械拋光（CMP）等多個步驟。由于β-Ga₂O₃具有明顯解理性和各向異性，在機械加工過程中容易產生亞表面損傷、劃痕、微裂紋以及局部應力集中。

如圖 6所示，XRT表征可以觀察到加工過程中引入的線型缺陷，其中標記為p的線狀特征即與加工損傷有關。這類缺陷并不一定來自長晶過程，而可能是在切割、研磨或拋光過程中形成。

圖6. 襯底中的加工損傷表征結果^[6]

加工損傷的影響有時會具有隱蔽性。即使襯底表面經過CMP后看起來較為平整，亞表面仍可能殘留損傷層。這些損傷在后續外延高溫過程中可能演化為缺陷源，影響外延層質量；在器件制備中，也可能成為局部漏電或擊穿薄弱點。

因此，對于氧化鎵襯底而言，缺陷控制不能只停留在長晶階段，還必須貫穿切割、研磨、拋光和清洗等整個加工流程。優化加工參數、降低機械應力、控制去除量和提高表面清潔度，都是提升襯底質量的重要環節。

晶體缺陷對器件性能的影響，并不是簡單地由缺陷數量多少決定。對于β-Ga₂O₃襯底而言，更需要關注缺陷的類型、空間取向、延伸長度，以及它是否與器件中的電流路徑和高電場區域發生耦合。

在功率器件中，缺陷帶來的直接影響通常表現為反向漏電流升高和擊穿電壓降低。以肖特基二極管為例，理想情況下，反向偏壓主要由外延漂移層承擔，電流應被有效阻斷；但當襯底或外延層中存在位錯、空洞、納米管等缺陷時，這些區域可能引入局部勢壘不均勻、陷阱輔助輸運或連續漏電路徑，使反向電流更容易通過。在高電場作用下，缺陷附近還可能出現局部電場集中，從而增加提前擊穿的風險^[7-8]。

位錯是影響β-Ga₂O₃器件漏電的重要缺陷之一。對于(-201)面β-Ga₂O₃襯底，已有研究表明，位錯相關刻蝕坑數量與肖特基二極管反向漏電流之間存在明顯相關性，如圖 7所示^[7]。一般而言，位錯數量越多，器件反向漏電流越容易升高。這可能與位錯附近存在的深能級缺陷、局部應變場以及雜質偏聚有關。這些因素會改變局部勢壘高度，使位錯區域成為更容易發生載流子輸運的通道。

圖7. 襯底缺陷數量與肖特基二極管反向漏電流之間的關系^[7]

不過，并不是所有位錯都會造成同樣嚴重的電學影響。研究表明，在β-Ga₂O₃肖特基二極管中，當位錯等缺陷位于肖特基接觸下方、貫穿器件電流路徑，或與局部高電場區域發生耦合時，其影響才會更加明顯^[8-9]。因此，評價缺陷影響時，需要同時考慮缺陷類型、空間位置以及其與器件結構之間的關系。

空洞和納米管類缺陷的影響則更依賴于其空間取向和延伸長度。β-Ga₂O₃中部分空洞和納米管沿[010]方向延伸，但不同襯底晶面中，[010]方向與器件電流方向之間的關系并不相同。因此，同樣是沿[010]延伸的缺陷，在不同取向襯底上的電學影響可能完全不同。

例如，在(001)和(-201)面襯底中，沿[010]方向延伸的空洞往往與襯底表面近似平行。如果這類缺陷沒有貫穿器件的垂直電流路徑，其對反向漏電的影響可能相對有限。相反，在(010)面襯底中，沿[010]方向延伸的空洞可能更容易貫穿襯底。當空洞長度足夠長，并連接器件正面與背面時，就可能形成有效漏電路徑，使反向電流顯著增加。

因此，評價空洞或納米管對器件的影響時，不能只看缺陷是否存在，還要看它是否“貫穿”了器件工作路徑。對于垂直器件而言，貫穿型缺陷更容易形成從正面到背面的漏電通道；而對于橫向器件，則需要結合溝道位置、電極邊緣、柵邊緣及局部電場分布，進一步判斷缺陷是否會參與載流子輸運或誘發局部漏電。

除了直接形成漏電路徑，缺陷還可能通過影響外延質量間接影響器件性能。

對于β-Ga₂O₃同質外延而言，襯底中的位錯、納米管、空洞以及加工損傷等缺陷，可能在外延過程中被復制到外延層，也可能在生長界面處誘發新的擴展缺陷或局部形貌異常。但同時，在一定生長條件下，部分缺陷也可能發生轉化或被抑制。因此，襯底缺陷與外延缺陷之間并不是簡單的一一對應關系，而是需要結合晶面取向、生長方法和具體工藝條件綜合判斷。

圖8. HVPE外延前后(001)取向EFG襯底同一區域的X射線形貌對比^[6]

對于高壓功率器件而言，外延漂移層通常承擔主要耐壓功能。如果外延層中存在繼承性缺陷、線狀缺陷、局部凹坑或粗糙化區域，就可能改變局部電場分布，并增加反向漏電或提前擊穿的風險，從而影響器件一致性和可靠性。因此，襯底缺陷控制不僅關系到襯底本身質量，也會影響后續外延層缺陷演化和器件性能表現。

加工損傷同樣不能忽視。切割、研磨和CMP 過程中形成的亞表面損傷，可能在表面看似平整的情況下仍殘留于襯底近表層。這些損傷在高溫外延過程中可能成為缺陷擴展源，也可能影響金屬接觸、界面態密度和表面漏電。對于肖特基二極管和場效應晶體管而言，表面和界面質量直接關系到勢壘均勻性、柵介質可靠性和器件穩定性。

此外，從可靠性角度看，缺陷的影響還可能在長期工作中逐漸放大。在高溫、高壓或強電場條件下，缺陷相關陷阱可能反復俘獲和釋放載流子，引起電流漂移、閾值電壓漂移、遲滯或動態特性退化；局部漏電區域還可能帶來熱積累，使器件在長期工作中面臨更高的退化風險。

本期我們圍繞氧化鎵襯底缺陷及其器件影響，對熔體法β-Ga₂O₃單晶中常見的缺陷問題進行了梳理。總體來看，β-Ga₂O₃的缺陷行為與其低對稱性晶體結構和強各向異性密切相關。許多缺陷并不是隨機分布的，而是具有明顯的方向性，也正因如此，評價氧化鎵襯底質量時，不能只看缺陷密度的高低，還需要結合缺陷類型、空間取向、延伸長度以及所在晶面進行綜合判斷。

對于器件而言，缺陷的影響也并非簡單地表現為“有缺陷就一定失效”。位錯可能通過局部陷阱態、應變場或勢壘不均勻性增加反向漏電；空洞和納米管是否產生明顯影響，則取決于其是否貫穿器件電流路徑；加工損傷雖然產生于襯底制備后段，卻可能在后續外延和器件制備過程中繼續顯現，影響外延質量、界面狀態和器件可靠性。

氧化鎵襯底缺陷研究不僅要“看見缺陷”，更要理解缺陷如何影響外延生長和器件性能。隨著襯底尺寸不斷放大，缺陷控制將直接關系到外延質量、器件良率和長期可靠性。

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圍繞材料基礎、襯底生長、外延調控、器件技術、應用與產業五條主線，本系列將系統梳理氧化鎵從基礎認知到產業落地的完整圖景。

(每期具體內容以實際發布為準)