【国际论文】衬底预处理对卤化物气相外延法在蓝宝石衬底上生长κ-Ga₂O₃层的影响

        由瑞典林雪平大学的研究团队在学术期刊 Journal of Crystal Growth 发布了一篇名为 Effect of substrate pretreatment on the epitaxial growth of κ-Ga₂O₃ layers on sapphire by halide vapor phase epitaxy（衬底预处理对卤化物气相外延法在蓝宝石衬底上生长 κ-Ga₂O₃ 层的影响）的文章。

        在氧化镓的各种晶相中，亚稳态的 κ-Ga₂O₃ 因其理论上具有优异的铁电特性和巨大的自发极化，在制造先进的异质结器件方面极具吸引力。 卤化物气相外延（HVPE）是一种具有高生长速率的化学气相沉积技术，非常适合用来生长功率器件所需的厚外延层。外延生长的质量在很大程度上取决于衬底表面的状态，包括其原子级平整度、化学末端和清洁度。尽管已有关于 HVPE 生长 κ-Ga₂O₃ 的报道，但关于衬底预处理如何影响其晶相纯度和晶体质量的系统性研究仍然缺乏。

        超宽禁带半导体 Ga₂O₃ 作为下一代高功率器件的潜在材料备受关注。通过卤化物气相外延（HVPE）在蓝宝石（0001）衬底上以 575 °C 的生长温度，可获得 Ga₂O₃ 的亚稳态 α 相和κ相。在生长前对衬底进行 1000 °C 的氢气或氧气气氛退火处理，对于获得单晶 κ-Ga₂O₃ 层至关重要，因为在未经处理的衬底上进行 HVPE 会形成单晶 α-Ga₂O₃，这一结果通过 X 射线衍射测量得到证实。进一步研究了衬底预处理对层质量和相转化的影响，生长温度范围为 670 °C 至 970 °C。结果表明，在氧气或氢气中预处理蓝宝石基底有利于合成单晶 κ-Ga₂O₃，而对 β 相的形成不利。阴极发光测量显示，κ 相与 β 相和 α 相相比，具有显著的发光差异，其峰值最大值约为 550 nm，而 β 相和 α 相的峰值最大值分别约为 370 nm 和 414 nm。吸收测量结果显示，α 相的光学带隙值约为 5.12 eV，κ 相约为 4.68 eV。这些发现为在蓝宝石衬底上通过 HVPE 生长控制亚稳相合成提供了宝贵见解。

        ● Ga₂O₃ 是一种具有广阔应用前景的超宽带隙半导体材料，适用于高功率和高电压应用。

        ● 通过 HVPE 法在 575 °C 下于蓝宝石衬底上生长出具有平滑形态的亚稳态 α- 和 κ-Ga₂O₃ 层。

        ● 在 1000 °C 下对衬底进行氢气或氧气预处理对获得高质量单晶 κ-Ga₂O₃ 至关重要。

图1. (a) 在 575 °C 下分别在未经处理和在氧气中退火的蓝宝石上生长的 α 相（红色曲线）和 κ 相（蓝色曲线）Ga₂O₃ 的 XRD 谱图。β 相的谱图作为参考示出。(b) α 相和 κ 相的对称 (0006) 和(004) 反射的摇摆曲线。

图2. κ相的极图，（a）为（013）面，（b）为（122）面。 （c）蓝宝石衬底上（113）面的极图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2025.128289