【会员论文】西安理工大学联合西安电子科技大学团队：氩氧比对低压化学气相沉积法生长氧化镓薄膜结晶及表面形貌的影响

        由西安理工大学胡继超副教授联合西安电子科技大学彭博博士的研究团队在学术会议 2025 IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia)  发布了一篇名为 Effect of argon-oxygen ratios on crystallization and surface morphology of gallium oxide thin films by low-pressure chemical vapor deposition（氩氧比对低压化学气相沉积法生长氧化镓薄膜结晶及表面形貌的影响）的文章。

        本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62474139 和 61904146）以及西安市科技计划项目（编号：2023JH-GXRC-0122）的支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强，在下一代功率电子器件领域展现出巨大潜力。低压化学气相沉积 LPCVD 是一种非常有前景的 β-Ga₂O₃ 外延生长技术，它具有工艺简单、成本较低、易于掺杂且能实现高生长速率等优点。然而，LPCVD 法生长 Ga₂O₃ 的物理化学过程非常复杂，其生长动力学机制尚不完全清楚。特别是载流气体与反应气体的比例，如何影响薄膜的结晶和成核过程，是优化薄膜质量的关键问题，亟需深入研究。

        本研究通过低压化学气相沉积（LPCVD）技术，在 AlN(0001) 衬底上异质外延生长了 β-Ga₂O₃ 薄膜。通过全面研究表征了沉积薄膜及异质结的晶体结构、表面形貌和化学成分。X 射线衍射 (XRD) 分析表明，β-Ga₂O₃ 薄膜具有相纯度，且呈现高度优先的 (-201) 生长取向。利用扫描电子显微镜 (SEM) 和原子力显微镜 (AFM) 系统考察了不同生长条件下表面形貌的演变。X 射线光电子能谱（XPS）测量表明最佳 Ga/O 原子比为 1.5，证实了化学计量比 Ga-O 键合结构的形成。这些发现证实了通过 LPCVD 异质外延技术在 AlN 衬底上制备具有优异物理性能的高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜的可行性，为开发新一代 Ga₂O₃ 基功率电子器件奠定了关键基础。

        ● 首次系统地将 LPCVD 工艺中的 Ar/O₂ 气体比例与 Ga 原子的表面扩散长度直接关联起来，从根本上阐明了台阶流生长转变的物理机制。

        ● 明确指出在 LPCVD 生长 β-Ga₂O₃ 过程中，富氧环境是抑制 3D 成核、实现高质量二维生长的必要条件。

        ● 通过优化气体比例，成功获得了原子级平整 β-Ga₂O₃ 外延薄膜，为制备高性能功率器件奠定了材料基础。

        通过低压化学气相沉积法（LPCVD），在四种氩氧气流量比（200:5、200:10、200:15 和 200:20）条件下于氮化铝衬底上沉积了 β-Ga₂O₃ 薄膜。表征结果表明，Ar/O₂ 比例显著影响 β-Ga₂O₃ 薄膜的晶体结构、表面形貌及化学组成。X 射线衍射（XRD）分析显示，200:5 比例下衍射峰强度最大，半高宽（FWHM）为 0.151°。此外，β-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量随氧比例增加而恶化。扫描电子显微镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）结果表明，氧比例升高时薄膜表面逐渐变平滑，伴随表面粗糙度显著降低。在 200:10和 200:15 比例下，均方根粗糙度值分别达到 1.79 nm 和 4.21 nm，对应相对平坦的表面形态。然而过量氧含量（200:20）导致薄膜致密化程度降低。X 射线光电子能谱（XPS）分析证实薄膜中存在两种镓氧化态及非晶格氧，表明氧空位形成。随着氧富集，Ga³⁺ 比例持续增加，非晶格氧含量相应降低。这些观测表明氧比例提升可逐步改善薄膜质量。值得注意的是，在 200:15 条件下计算的化学计量比达到 1.50，接近最优值。本研究为在氮化铝衬底上制备高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜提供了基础指导，为未来器件应用奠定了基础。

图1. (a)不同氩氧比下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜 XRD 曲线，(b)不同氩氧比下 β-Ga₂O₃ 薄膜的半高宽值。

图2. 在不同氩氧比例下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 SEM 图像：(a) 200:5，(b) 200:10，(c) 200:15，(d) 200:20。

图3. 在不同氩氧比条件下生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 图像：(a) 200:5，(b) 200:10，(c) 200:15，(d) 200:20。

图4. 不同氩氧比 β-Ga₂O₃ 薄膜的 O 1s 精细光谱扫描图。

图5. O_L 峰面积比的获得 XPS 光谱。

DOI：

doi.org/10.1109/WiPDA-Asia63772.2025.11183966