“金刚石+氧化镓”助力更高性能射频器件

由日本九州大学、日本国家先进工业技术研究所 (AIST)、九州工业大学、埃及阿斯旺大学和日本日埃科技合作中心 (E-JUST 中心) 的组成的联合研究团队，报道了“利用射频磁控溅射在单晶金刚石（111）晶圆上异质外延生长β-Ga2O3薄膜”相关研究成果，该研究有助于进一步研究可扩展的β-Ga2O3/金刚石异质结构，以用于未来更高性能的光电子器件。相关研究成果以“Heteroepitaxial growth of β-Ga2O3 thin films on single crystalline diamond (111) substrates by radio frequency magnetron sputtering”为题，发表于Applied Physics Express期刊。

氧化镓正逐渐成为下一代大功率和射频电子器件的明星材料

近来，氧化镓(Ga2O3)作为一种“超宽禁带半导体”材料，得到了持续关注。β-Ga2O3的带隙为4.7-4.9 eV，理论击穿场强为8 MV cm-1，电子饱和速度高达2×107cm s-1，与第三代半导体碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)相比，其带隙远高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。此外，β-Ga2O3能够从熔体中生长出块状基底，使其与碳化硅和氮化镓相比具有显著的成本优势。并且，在同等规格下，宽禁带材料可以制造die size更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积，进一步降低成本。

随着量子信息、人工智能等高新技术的发展，半导体新体系及其微电子等多功能器件技术也在更新迭代。虽然前三代半导体技术持续发展，但也已经逐渐呈现出无法满足新需求的问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的要求。

相比其他半导体材料，第四代半导体材料拥有体积更小、能耗更低、功能更强等优势，可以在苛刻的环境条件下能够更好地运用在光电器件、电力电子器件中。

其中，氧化镓(Ga2O3)由于自身的优异性能，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究，正逐渐成为下一代大功率和射频电子器件的材料。

散热难题：掣肘了氧化镓射频器件

相比已经得到市场应用的硅、碳化硅、氮化镓等材料，氧化镓的散热问题一直是亟待解决的的一大关键性问题，阻碍了氧化镓的商业化应用。因为半导体材料的热导率与后续器件的性能息息相关。

从具体数据来看，氧化镓的热导率在10-30W/m-K之间，还不到Si的1/5，SiC的1/20，这对功率器件性能和应用来说是硬伤。严重的自热效应导致器件功率和频率难以协同提升，很大程度上掣肘了氧化镓射频器件的发展。这也是氧化镓研究团队必须攻克的核心难题。

针对这一问题的解决，目前学界通常用衬底减薄、外接散热系统以及异质集成等方法来提升器件的导热性能。但是，从实验结果来说，衬底减薄和外接散热系统都有点治标不治本，无法从根本上提升材料的导热性能。

那什么是解决氧化镓导热差这一问题的最佳方案呢？

有研究指出，在高导热系数衬底材料上采用异质外延或者异质集成技术来制备异质集成 β-Ga2O3器件可以有效解决氧化镓材料导热系数低。

“金刚石+氧化镓”组合“出道”

金刚石作为自然界中热导率最高的材料，其热导率高达 2200 W/ (m·K)，是一种极具竞争力的新型散热材料。采用高导热率的金刚石作为氧化镓基功率器件的散热衬底，有望改善其缺陷，实现高频､高功率的应用的不二之选。

另外，β-Ga2O3/金刚石异质结构组合拥有另一个吸引人的特性，即金刚石与硼可轻松进行p型掺杂，而氧化镓能带结构的价带无法有效进行空穴传导，因此目前还没有排列p型Ga2O3的可行方法，Ga2O3本身是n型的。

此前曾报道过范德华力和 β-Ga2O3在金刚石上的晶圆键合等技术，但尚未报道过射频溅射等直接生长工艺。直接生长方法往往更受青睐，因为其生产规模大且成本更低。

图1：（a）单晶金刚石（111）上生长的射频溅射β-Ga2O3薄膜结构图，以及Ga2O3/金刚石界面上氧原子和碳原子之间的预期原子键合。（b）所生长薄膜的厚度与衬底温度之间的关系。（c、d）分别使用2θ-θ和2θ扫描模式的X射线衍射（XRD）图。（e）600°C和700°C下所生长样品的X射线衍射摇摆曲线（-201）峰值。

在实验中，该研究团队使用日本住友公司生产的商用未掺杂Ga2O3靶件和Ib型（111）单晶金刚石衬底进行射频磁控溅射（RFMS）（图1）。射频磁控溅射的生长压力为1.5x10-1Pa。腔室内的气体为不含氧的氩气流。射频功率为50W，沉积时间为48小时。β-Ga2O3在金属掩膜界定的圆形区域内生长。

虽然衬底温度较高时（700°C材料厚度315nm），Ga2O3晶体的生长速度明显减慢，但温度较低时，Ga2O3晶体的品质却有所下降。

事实上，根据X射线衍射分析，400°C时，材料似乎为非晶质。500°C样品包含混合的β相Ga2O3和γ相Ga2O3。600°C和700°C薄膜为未混合的β-Ga2O3。不过，600°C时，材料是多晶体，具有多种不同的平面取向。700°C样品主要呈（-201）取向，其摇摆曲线峰值明显较窄，半高全宽（FWHM）值为3.0°，相比之下，600°C材料的半高全宽值为4.1°。

研究人员评论道：“衬底温度较高可促进Ga2O3的β相结晶，降低金刚石的表面能，从而刺激金刚石阶层上原子迁移的流动性，提高逐层生长的能力。”

根据极图X射线衍射分析，金刚石（111）和β-Ga2O3（-201）之间的晶格失配为-1.6-2.2%，堪比β-Ga2O3/蓝宝石（1.7-4.8%）。

研究团队进一步评论道：“发现了（-202）和（002）两个独特平面，这两个平面为（-201）β-Ga2O3纹理，与含六个不同面内旋转域的（111）金刚石纹理相当。”

图2：衬底温度不同时，所生长薄膜的扫描电子显微镜（SEM）俯视图：（a）400°C，（b）500°C，（c）600°C，（d）700°C。小图：（d）岛状与层状混和生长模式下所生长薄膜的结构图。

对样品表面进行扫描电子显微镜检查（图2），结果显示，700°C下生长的薄膜表面出现了山状晶体。研究团队解释说：“这些表面结构可能表明，β-Ga2O3薄膜是通过岛状与层状混和生长模式（Stranski–Krastanov growth mode）在单晶金刚石（111）衬底上生长的，即生长早期阶段为二维（2D）模式，但所生长薄膜超过临界厚度时，就会转变为三维（3D）岛状生长。要使单晶金刚石（111）上生长的β-Ga2O3薄膜表面进一步平坦化，就需要优化薄膜厚度。”

研究人员还利用X射线光电子能谱（XPS）测定了不同生长温度下薄膜中的元素比例。700°C时所生长样品的O/Ga比率为1.31，在所有样品的O/Ga比率中，最接近理想状态下Ga2O3的O/Ga比率（1.5）。其他温度下O/Ga比率均低于1.16。

研究团队评论道：“总的来说，X射线光电子能谱的结果表明，通过溅射进行高衬底温度沉积可有效抑制氧缺陷的产生，且衬底温度为700°C时，可在单晶金刚石（111）衬底上生长原子成分可接受的β-Ga2O3薄膜。”

文章链接
https://doi.org/10.35848/1882-0786/acfd07