香港科技大學(xué)（廣州）陳子強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)：Sn輔助低壓化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石 (0001) 襯底生長高質(zhì)量ε-Ga?O?

由香港科技大學(xué)（廣州）陳子強(qiáng)教授的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Applied Physics Letters 發(fā)布了一篇名為 Sn-assisted epitaxial growth of high-crystallinity κ/ε-Ga₂O₃ on sapphire (0001) by low-pressure Mist-CVD（Sn 輔助的低壓霧化化學(xué)氣相沉積法在藍(lán)寶石 (0001) 襯底上外延生長高結(jié)晶質(zhì)量的 κ/ε-Ga₂O₃）的文章。

本工作得到以下項(xiàng)目資助：香港科技大學(xué)（廣州）創(chuàng)業(yè)基金；廣州市科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310 和 2023A03J0152；廣東省教育廳項(xiàng)目，編號(hào)：2024ZDZX1005；國家外國專家局項(xiàng)目，編號(hào)：Y20240005；以及香港科技大學(xué)（廣州）的材料表征與制備平臺(tái)（MCPF）和綠色電子材料實(shí)驗(yàn)室的支持。

氧化鎵（Ga₂O₃）因其超高擊穿電場、優(yōu)異的 Baliga 優(yōu)值以及出色的耐輻射性能，已成為功率電子器件的重要材料。傳統(tǒng)上，β 相 Ga₂O₃ 因其穩(wěn)定性和商業(yè)可行性而在高壓器件中得到廣泛應(yīng)用。然而，近年來研究重心逐漸轉(zhuǎn)向其亞穩(wěn)態(tài) ε 相（ε-Ga₂O₃），該相兼具高自發(fā)極化（約25 μC/cm²）和較大壓電常數(shù)（d₃₃ ≈ 10.8–11.2 pm/V），使其在下一代高電子遷移率晶體管（HEMT）和射頻諧振器中具有巨大應(yīng)用潛力。高質(zhì)量 ε-Ga₂O₃ 外延薄膜的制備仍然是器件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究表明，Sn 摻雜能夠穩(wěn)定ε相，同時(shí)抑制 β/α 相的形成并改善表面形貌，提升亞穩(wěn)相的熱穩(wěn)定性。然而，要實(shí)現(xiàn)器件級(jí)薄膜，還需精確控制晶體質(zhì)量、界面陡度和厚度均勻性，而現(xiàn)有的外延生長技術(shù)難以兼顧這些要求。霧化化學(xué)氣相沉積（Mist-CVD）作為一種低成本的 ε-Ga₂O₃ 外延方法，仍存在工藝優(yōu)化不足和晶體質(zhì)量受限的問題。其他方法如 MOCVD、HVPE 和 ALD在晶體質(zhì)量上雖有進(jìn)展，但面臨高成本、厚度可控性差或加工條件苛刻等問題。因此，如何在兼顧成本、晶體質(zhì)量和可控性的前提下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量 ε-Ga₂O₃ 薄膜的外延生長，是當(dāng)前功率電子和高頻器件發(fā)展中的核心技術(shù)難題。

超寬禁帶氧化鎵（Ga₂O₃）多晶型材料在高功率電子器件和多功能器件領(lǐng)域開辟了新前沿。其中，正交相（通常稱為 κ-Ga₂O₃ 或 ε-Ga₂O₃，本文中統(tǒng)一記作 ε-Ga₂O₃）以其卓越的自發(fā)極化特性和較大的壓電系數(shù)脫穎而出，使其成為下一代高電子遷移率晶體管（HEMT）和射頻諧振器的理想候選材料。然而，由于存在界面過渡層以及晶體學(xué)控制受限，高質(zhì)量 ε-Ga₂O₃ 薄膜的外延生長仍具有挑戰(zhàn)性。在此工作中展示了一種創(chuàng)新的錫輔助低壓霧化化學(xué)氣相沉積（Sn-assisted low-pressure Mist-CVD）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在 c 面藍(lán)寶石襯底上生長單相 ε-Ga₂O₃ 薄膜，并達(dá)到了前所未有的晶體質(zhì)量。所得薄膜表現(xiàn)出極窄的 X 射線衍射搖擺曲線（半高寬，F(xiàn)WHM = 0.08°），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原子級(jí)平滑的表面（均方根粗糙度，RMS = 1.51 nm）。關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)包括通過錫介導(dǎo)的成核完全抑制了界面過渡層，并在優(yōu)化的低壓條件下實(shí)現(xiàn)了真正的逐層生長。這種協(xié)同方法結(jié)合了霧化CVD固有的成本優(yōu)勢與增強(qiáng)的晶體學(xué)精度，為工業(yè)化生產(chǎn) ε-Ga₂O₃ 量子阱器件及極化工程異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了可行路徑。

錫輔助低壓霧化化學(xué)氣相沉積（Sn-assisted LP-Mist-CVD）技術(shù)在 ε-Ga₂O₃ 外延生長領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破性進(jìn)展，通過錫介導(dǎo)成核與低壓工藝優(yōu)化的協(xié)同作用，獨(dú)特地解決了長期存在的界面相抑制和晶體學(xué)精度問題。該方法實(shí)現(xiàn)了真正的逐層生長，表面原子級(jí)平滑（均方根粗糙度 RMS = 1.51 nm），ε相晶體質(zhì)量高（XRD 半高寬 FWHM = 0.08°），性能超越傳統(tǒng)的 Mist-CVD，并可媲美高成本的HVPE，同時(shí)兼具成本優(yōu)勢和厚度可控性。通過消除寄生 α-Ga₂O₃ 相并實(shí)現(xiàn)前所未有的界面陡度，該方法為先進(jìn)氧化物電子器件，尤其是極化工程異質(zhì)結(jié)構(gòu)和高電子遷移率晶體管（HEMT）奠定了變革性平臺(tái)。該工藝適用于藍(lán)寶石襯底且前體消耗低，不僅重新定義了 ε-Ga₂O₃ 的生長范式，也為要求原子級(jí)界面控制的超寬禁帶器件的可規(guī)模化制備開辟了途徑，使其成為面向下一代功率電子和量子電子器件的工業(yè)可行方案。

圖 1. 低壓霧化化學(xué)氣相沉積（LP-Mist-CVD）系統(tǒng)示意圖。

圖 2. (a) 三個(gè)樣品的 XRD 2θ 掃描譜。 (b) 在相同條件下測量的三個(gè)樣品 ε-Ga₂O₃ (004) 衍射的 XRD 搖擺曲線。 (c) 高晶體質(zhì)量樣品的 XRD ω 掃描，分別針對(duì) ε-Ga₂O₃ 的 (211) 晶面和 α-Al₂O₃ 的 (012) 晶面。

圖 3. 高晶體質(zhì)量樣品表面的原子力顯微鏡（AFM）圖像。 (a) 高度回掃描圖像。 (b) 沿方向 A 和 B 測量的高度剖面。 (c) 振幅回掃描圖像。

圖 4. 高晶體質(zhì)量樣品的橫截面透射電子顯微鏡（TEM）分析。 (a) 薄膜整體結(jié)構(gòu) TEM 圖像，標(biāo)注三個(gè)不同區(qū)域。 (b) 薄膜/襯底界面區(qū)域放大圖。 (c) 旋轉(zhuǎn)域區(qū)域放大圖。 (d) 虛線區(qū)域獲取的快速傅里葉變換（FFT）圖案（區(qū)軸 = [010]）。 (e) ε-Ga₂O₃ 薄膜的高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF STEM）圖像及 (f) 能譜（EDS）元素分布圖。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0280118