【国内论文】中山大学王钢教授团队---通过MOCVD法在Si(111)衬底上生长Ga₂O₃薄膜

        近日，由中山大学王钢教授研究团队在学术期刊 Vacuum 发布了一篇名为Growth of Ga₂O₃ thin films on Si(111) substrates by metal-organic chemical vapor deposition（通过MOCVD法在 Si(111) 衬底上生长 Ga₂O₃ 薄膜）的文章。

        该研究得到了国家自然科学基金（Grant No. 62074167）和广东省科技计划项目（Grant No. No. 2021B0101300005）的支持。

        氧化镓（Ga₂O₃）是一种具有超宽禁带的半导体材料，在日盲紫外探测器、功率二极管和场效应晶体管等领域有广泛应用前景。β-Ga₂O₃ 是最稳定的相，但其作为衬底成本较高，且存在热导率低和各向异性等问题，限制了其大规模商业化应用。ε-Ga₂O₃ 是第二稳定的相，具有自发极化、压电极化和铁电性等独特性质，并且有潜力在大尺寸商用衬底上进行异质外延生长。在硅（Si）衬底上异质外延生长 Ga₂O₃ 对于降低成本、利用硅基成熟的工业基础以及解决散热问题（Si 热导率远高于蓝宝石）具有重要意义。然而，在 Si(111) 上直接外延生长高质量的 ε-Ga₂O₃ 面临巨大挑战，主要包括较大的晶格失配（~24%）和热失配，以及在含氧气氛中生长时 Si 表面易被氧化的问题。Si 表面氧化形成的非晶 SiO_x 层会严重阻碍有序外延生长，导致薄膜质量下降。因此，理解 Ga₂O₃ 在 Si 衬底上的早期生长机制对于实现高质量异质外延至关重要。

        低成本且大规模的氧化镓外延薄膜对于基于氧化镓的商业应用至关重要。传统的同质外延 β-氧化镓在成本效益方面面临重大挑战。因此，在商业上成熟的硅衬底上实现 ε-氧化镓薄膜的异质外延具有重要意义。在该研究中，研究团队对在 Si(111) 衬底上生长氧化镓薄膜进行了系统研究，以探索其生长机制。基于对 X 射线衍射（XRD）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的综合分析，很明显，无定形的 SiO_x 和 Ga₂O₃ 的存在、β-晶核的存在以及大量倾斜的 Ga₂O₃ 岛显著降低了晶体质量和表面形貌。此外，通过高分辨率 TEM 测量观察到，外延层原子排列无序且缺乏融合，这主要归因于硅面的氧化。该研究阐明了在硅衬底上早期生长阶段 Ga₂O₃ 核心的演变过程，并对生长机制提供了深刻的见解，这对于获得高质量的 Si 基 ε-Ga₂O₃ 薄膜至关重要。

        • 通过金属有机化学气相沉积法（MOCVD）对在硅（111）衬底上生长的氧化镓薄膜进行了研究。

        • 硅表面存在无定形 SiO_x 会损害氧化镓的结晶质量。

        • 硅基 Ga₂O₃ 的主要生长问题源于非晶层、混合相以及晶粒畸变。

        通过 XRD、OM、SEM、TEM 和 EDS 等多种方法对硅基 ε-Ga₂O₃ 薄膜的异质外延进行了系统研究。根据 XRD 和 OM 的表征结果，显然优化生长参数，特别是成核温度（<600 °C），能够提高通过 MOCVD 生长的 Ga₂O₃ 薄膜的结晶质量和共晶度。此外，SEM 和 TEM 研究表明，Ga₂O₃ 外延层表面粗糙且缺乏共晶，这可归因于无定形 SiOₓ 的存在、β 核、ε 核和无定形 Ga₂O₃ 的共存以及大量倾斜的 Ga₂O₃ 岛。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和能谱分析（EDS）测量结果强调了抑制硅表面氧化和 β-Ga₂O₃ 成核对于在硅衬底上获得高质量的 ε-Ga₂O₃ 薄膜的重要性。本研究阐明了直接在 Si (111) 衬底上生长的无序 Ga₂O₃ 层的起源，并为解决金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长 ε-Ga₂O₃ 薄膜时出现的这一问题提供了指导。

图 1. 在 Si (111) 衬底上生长的外延结构示意图：（a）样品 A1-A4；（b）样品 B1-B2。

图 2. (a) A 组照片；(b) 2θ-ω 扫描图样： A1（500 °C）、A2（550 °C）、A3（600 °C）和 A4（640 °C）。

DOI：

doi.org/10.1016/j.vacuum.2025.114318