【国际论文】三甲基镓与氧反应生成β-氧化镓的机理研究：热力学分析与实验验证

        由瑞典隆德大学的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Chemical reaction mechanism between trimethylgallium and oxygen for β-gallium oxide growth: Thermodynamic and experimental studies（三甲基镓与氧反应生成β-氧化镓的机理研究：热力学分析与实验验证）的文章。

        热力学分析被广泛认为是理解化学反应并确定晶体生长体系最佳条件的有力工具，既适用于传统的 III–V 族化合物半导体，也适用于氧化物半导体。尤其是，采用 HVPE 和 MBE 方法的 β-Ga₂O₃ 生长行为，以及在 TEGa–O₂ 体系下的 MOCVD 生长，已经得到了较为充分的研究和阐明。然而，与 TEGa–O₂ 体系不同，TMGa 与 O₂ 之间的化学反应动力学尚未被深入研究，目前也缺乏明确的最佳生长条件指引。本研究针对以 TMGa 和 O₂ 为前驱体的 β-Ga₂O₃ MOCVD 进行了热力学分析，以阐明其化学反应动力学并识别优选生长条件。实验结果证实了所观察到的生长行为与热力学预测一致。

        本文通过理论热力学分析与实验验证，研究了以三甲基镓 (TMGa) 和氧气为前驱体的 β-氧化镓 (β-Ga₂O₃) MOCVD 生长动力学。热力学分析表明，高纯度 β-Ga₂O₃ 可通过 TMG 分解生成的镓和碳氢化合物的完全燃烧实现。此外，在生长系统中引入氢气并使其完全燃烧，也能防止 β-Ga₂O₃ 生长退化。因此，为实现 β-Ga₂O₃ MOCVD，宜采用保证气相物种完全燃烧的高 VI/III 输入比。在输入 VI/III 比为 250 的条件下，于 2 英寸蓝宝石衬底上进行了生长实验，确认在 740–950 °C 的温度范围内可以实现 β-Ga₂O₃ 生长，且生长速率随温度升高由 0.7 μm/h 降至 0.5 μm/h。热力学分析在有效 VI/III 比 6.5 的条件下成功再现了这一生长行为。结果表明，β-Ga₂O₃ MOCVD 生长发生在热平衡条件下，且其过程可通过热力学进行控制。

图 1 β-Ga₂O₃ 上方 21 种气态组分的平衡分压 (P_i, 左轴) 及相应的β-Ga₂O₃ 生长驱动力 (右轴) 随输入 VI/III 比的依赖关系。在图中还以虚线标出了纯镓金属的蒸气压。生长条件如图顶部所示。

图 2 β-Ga₂O₃ 上方 21 种气态组分的平衡分压 (P_i, 左轴) 及相应的β-Ga₂O₃ 生长驱动力 (右轴) 随生长温度的依赖关系。在图中还以虚线标出了纯镓金属的蒸气压。生长条件如图顶部所示。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0280430