中山大學(xué)王鋼教授團隊---通過MOCVD法在Si(111)襯底上生長Ga?O?薄膜
近日，由中山大學(xué)王鋼教授研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Vacuum 發(fā)布了一篇名為Growth of Ga2O3 thin films on Si(111) substrates by metal-organic chemical vapor deposition（通過MOCVD法在 Si(111) 襯底上生長 Ga2O3 薄膜）的文章。
1. 項目支持
該研究得到了國家自然科學(xué)基金（Grant No. 62074167）和廣東省科技計劃項目（Grant No. No. 2021B0101300005）的支持。
2. 背景
氧化鎵（Ga2O3）是一種具有超寬禁帶的半導(dǎo)體材料，在日盲紫外探測器、功率二極管和場效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。β-Ga2O3 是最穩(wěn)定的相，但其作為襯底成本較高，且存在熱導(dǎo)率低和各向異性等問題，限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。ε-Ga2O3 是第二穩(wěn)定的相，具有自發(fā)極化、壓電極化和鐵電性等獨特性質(zhì)，并且有潛力在大尺寸商用襯底上進行異質(zhì)外延生長。在硅（Si）襯底上異質(zhì)外延生長 Ga2O3 對于降低成本、利用硅基成熟的工業(yè)基礎(chǔ)以及解決散熱問題（Si 熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于藍寶石）具有重要意義。然而，在 Si(111) 上直接外延生長高質(zhì)量的 ε-Ga2O3 面臨巨大挑戰(zhàn)，主要包括較大的晶格失配（~24%）和熱失配，以及在含氧氣氛中生長時 Si 表面易被氧化的問題。Si 表面氧化形成的非晶 SiOx 層會嚴(yán)重阻礙有序外延生長，導(dǎo)致薄膜質(zhì)量下降。因此，理解 Ga2O3 在 Si 襯底上的早期生長機制對于實現(xiàn)高質(zhì)量異質(zhì)外延至關(guān)重要。
3. 主要內(nèi)容
低成本且大規(guī)模的氧化鎵外延薄膜對于基于氧化鎵的商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。傳統(tǒng)的同質(zhì)外延 β-氧化鎵在成本效益方面面臨重大挑戰(zhàn)。因此，在商業(yè)上成熟的硅襯底上實現(xiàn) ε-氧化鎵薄膜的異質(zhì)外延具有重要意義。在該研究中，研究團隊對在 Si(111) 襯底上生長氧化鎵薄膜進行了系統(tǒng)研究，以探索其生長機制?；趯?X 射線衍射（XRD）、光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）的綜合分析，很明顯，無定形的 SiOx 和 Ga2O3 的存在、β-晶核的存在以及大量傾斜的 Ga2O3 島顯著降低了晶體質(zhì)量和表面形貌。此外，通過高分辨率 TEM 測量觀察到，外延層原子排列無序且缺乏融合，這主要歸因于硅面的氧化。該研究闡明了在硅襯底上早期生長階段 Ga2O3 核心的演變過程，并對生長機制提供了深刻的見解，這對于獲得高質(zhì)量的 Si 基 ε-Ga2O3 薄膜至關(guān)重要。
4. 亮點
• 通過金屬有機化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）對在硅（111）襯底上生長的氧化鎵薄膜進行了研究。
• 硅表面存在無定形 SiOx 會損害氧化鎵的結(jié)晶質(zhì)量。
• 硅基 Ga2O3 的主要生長問題源于非晶層、混合相以及晶?；?。
5. 總結(jié)
通過 XRD、OM、SEM、TEM 和 EDS 等多種方法對硅基 ε-Ga2O3 薄膜的異質(zhì)外延進行了系統(tǒng)研究。根據(jù) XRD 和 OM 的表征結(jié)果，顯然優(yōu)化生長參數(shù)，特別是成核溫度（<600 °C），能夠提高通過 MOCVD 生長的 Ga2O3 薄膜的結(jié)晶質(zhì)量和共晶度。此外，SEM 和 TEM 研究表明，Ga2O3 外延層表面粗糙且缺乏共晶，這可歸因于無定形 SiO? 的存在、β 核、ε 核和無定形 Ga2O3 的共存以及大量傾斜的 Ga2O3 島。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和能譜分析（EDS）測量結(jié)果強調(diào)了抑制硅表面氧化和 β-Ga2O3 成核對于在硅襯底上獲得高質(zhì)量的 ε-Ga2O3 薄膜的重要性。本研究闡明了直接在 Si (111) 襯底上生長的無序 Ga2O3 層的起源，并為解決金屬有機化學(xué)氣相沉積（MOCVD）生長 ε-Ga2O3 薄膜時出現(xiàn)的這一問題提供了指導(dǎo)。
6. 圖文示例
圖 1. 在 Si (111) 襯底上生長的外延結(jié)構(gòu)示意圖：（a）樣品 A1-A4；（b）樣品 B1-B2。
圖 2. (a) A 組照片；(b) 2θ-ω 掃描圖樣： A1（500 °C）、A2（550 °C）、A3（600 °C）和 A4（640 °C）。
DOI：
doi.org/10.1016/j.vacuum.2025.114318
本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號