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摘要：日本的研究小组在世界上首次阐明了通过金属有机物气相外延生长(MOVPE)法生长β型氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体的化学反应机制，该β型氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体作为具有高节能效果的下一代功率器件用半导体材料而备受关注，并在发现的最佳生长条件下实证了高纯度β-Ga₂O₃晶体的MOVPE生长。这一成果有助于开发采用MOVPE法的β-Ga₂O₃器件量产设备，有望将β-Ga₂O₃功率器件投入实际应用，推动脱碳社会实现。

关键字：β型氧化镓晶体、金属有机物气相外延生长、MOVPE生长、半导体材料、功率器件

开发背景

在以发达国家为中心推进脱碳社会政策的同时，日本正在面向可再生能源和电网（输配电网）研发节能元件（功率器件）。目前，市场中的功率器件主要使用硅晶体材料，但由于该材料的物理特性已达到极限，因此无法获得更高的节能效果。为此，需要寻找一种材料特性优于硅晶体、且器件运行过程中的功率损耗更低的半导体材料。

β型氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体作为候选材料之一备受关注。在功率器件应用中，通过比较“Baliga性能指数”来量化β-Ga₂O₃与硅晶体的功率损耗之比，可知使用β-Ga₂O₃晶体时，损耗降低至1/3000左右，预计节能效果将会显着提高。此外，衬底（晶圆）的制造成本有望达到传统硅晶体的同等水平，因此β-Ga₂O₃在产业中的应用前景广阔，全球正在通过产官学合作进行研发。

研究经过

研究小组正在研究利用气相中的化学反应进行各种半导体晶体的生长。近日，研究小组着眼于具有高节能效果的β-Ga₂O₃，通过对利用氢化物气相外延（HVPE）法生长β-Ga₂O₃晶体生长的反应进行分析并验证其生长，建立了高纯度晶体的高速生长技术。

目前，市场上的β-Ga₂O₃同质外延晶圆一般是使用基于东京农工大学所拥有的HVPE法的知识产权而开发的制造设备进行量产。另一方面，HVPE法可以实现半导体晶体的高速生长，但其制造复杂器件结构的能力有限，因此还需要研发利用金属有机物气相外延生长（MOVPE）法的β-Ga₂O₃晶体生长技术。但是，作为β-Ga₂O₃晶体原料的有机金属化合物气体与氧气之间的化学反应极难控制，而且会不可避免地混入碳杂质，因此没有对此进行过积极的研发。

在这种情况下，欧美多家研究机构报道了β-Ga₂O₃晶体的MOVPE生长，受此影响，该研究小组开始着手阐明有机金属化合物气体与氧气的反应机制，探索适合β-Ga₂O₃晶体生长的化学反应条件。本次，研究小组成功实现了被认为十分困难的β-Ga₂O₃的MOVPE生长。

研究成果

本研究中的β-Ga₂O₃晶体以低压下的有机金属化合物三乙基镓(TEG)气体和氧气(O₂)为原料。研究小组对参与β-Ga₂O₃晶体生长过程的化学反应基团进行详细分析后发现，在来自TEG的氢(H₂)和烃与O₂的燃烧反应之后，镓发生燃烧反应，β-Ga₂O₃生长（图1）。

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图1. β-Ga₂O₃晶体的生长驱动力（上图）和通过TEG与O₂的化学反应所产生的H₂、CO、H₂O、CO₂的平衡分压（下图）相对于供应VI/III比率的分析结果（供应VI/III比率是O₂供应量与TEG供应量的比率）。

当供应VI/III比率很低时，生长驱动力为0以下，β-Ga₂O₃晶体不生长；将供应VI/III比率提高到大约7以上，可以实现β-Ga₂O₃晶体生长。由图可知，通过提高供应VI/III比率，H₂O和CO₂气体的平衡分压高于H₂和CO气体的平衡分压，并且完全燃烧。

此外，通过在高温下供给足够的O₂，碳完全燃烧，抑制了碳的混入，从而获得了高纯度β-Ga₂O₃晶体。为了验证这些现象，实验室构建了具有TEG和O₂原料气体供应系统的减压MOVPE装置（图2），使用基于所阐明的反应机制而选定的反应条件进行了生长实验。

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图2.为本实验搭建的减压MOVPE装置的示意图

实验结果表明，在900℃的生长反应温度下，成功以1.4μm/h的生长速率生长出高纯度β-Ga₂O₃晶体（表1和图3）。

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表1.由MOVPE法生长的β-Ga₂O₃晶体中所含的氢(H)和碳(C)杂质的浓度。在900℃以上的生长温度下，杂质浓度低于测量环境中的背景(B.G.)浓度。

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图3.带有在900℃下通过MOVPE法生长的β-Ga₂O₃晶体薄膜（厚度约1.4μm）的蓝宝石衬底照片。照片左侧为上游方向

未来展望

通过阐明化学反应机制，实现了高品质β-Ga₂O₃晶体的MOVPE生长。将该成果应用于开发用于设备制造的MOVPE装置，能够制造出传统HVPE法无法实现的复杂结构，推动各种器件的研发，由此，通过将具有高节能效果的β-Ga₂O₃功率器件投入实际使用，有望加速实现脱碳社会。研究小组计划根据本项技术，首先开发试验机，之后逐步开发小规模生产机器和大规模量产机。

日本成功实现β型氧化镓晶体的金属有机物气相外延生长