【国际论文】APL丨日本京都大学：雾化学气相沉积法生长的高电子迁移率Ge掺杂α-Ga₂O₃薄膜

        由日本京都大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为Mist-chemical vapor deposition grown Ge-doped α-Ga₂O₃ thin films with high electron mobility（雾化学气相沉积法生长的高电子迁移率 Ge 掺杂 α-Ga₂O₃ 薄膜）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）因其约 5 eV 的大禁带宽度，在功率电子、高频器件和紫外探测器领域具有巨大潜力。与最稳定的 β 相相比，α-Ga₂O₃ 拥有更宽的带隙（5.3–5.6 eV）和更高的理论击穿场强（9.5 MV/cm）。此外，它与蓝宝石衬底结构相同，便于异质外延生长。雾化学气相沉积（Mist-CVD） 被认为是生长 α 相最合适的方法之一。其环境中的羟基（-OH）有助于稳定 α 相，且该工艺在大气压下进行，使用水溶液作为原料，具有高成本效益和能源效率。由于 α-Ga₂O₃ 与蓝宝石之间存在晶格失配，外延层通常含有极高密度的位错。这些位错会充当受体型陷阱并散射电子，导致材料在低载流子浓度时的迁移率急剧下降甚至趋于零，严重限制了其在功率器件中的应用

        在衬底温度 600 ℃、生长速率 3.3 μm/h 的条件下，通过雾化学气相沉积法在 m 面蓝宝石衬底上生长出非故意掺杂和锗掺杂的 α-Ga₂O₃ 薄膜。室温下的霍尔效应测量表明，无意掺杂薄膜的载流子浓度较低，为 3×10¹⁶ cm^-3；而掺锗 α-Ga₂O₃ 薄膜的载流子浓度为 5.8 × 10¹⁷ cm⁻³，其最高电子迁移率达到 99 cm² V⁻¹ s⁻¹。温度依赖性霍尔效应测量阐明了传输机制：在载流子浓度分别为 1.7 × 10¹⁷ 和 5.8 × 10¹⁷ cm⁻³ 的薄膜中，低温下位错和电离杂质引起的散射占主导地位，而室温附近电子散射的主要来源则是极性声子。本文制备的掺锗薄膜中，穿透螺钉位错和边缘位错的平均密度分别为 6.0 × 10⁸ 和 1.1 × 10⁹ cm⁻²，均低于迄今在蓝宝石衬底上生长的 α-Ga₂O₃ 薄膜。通过降低位错密度实现的低载流子浓度和高电子迁移率，表明 α-Ga₂O₃ 在电力电子和高频器件领域具有广阔的应用前景。

        采用雾化学气相沉积法在 600 ℃ 生长温度和 3.3 μm/h 生长速率下，于 m 面蓝宝石衬底上成功生长出 UID 及掺锗 α-Ga₂O₃ 薄膜。UID α-Ga₂O₃ 薄膜实现了低载流子浓度（3 × 10¹⁶ cm^-3）。当载流子浓度为 5.8 × 10¹⁷ cm^-3 时，电子迁移率最高达 99 cm² V^-1 s^-1。本研究中载流子浓度高于 10¹⁷ cm^-3 的 α-Ga₂O₃ 薄膜在室温下的迁移率，可与相同载流子浓度的 β-Ga₂O₃ 薄膜迁移率相媲美。温度依赖性霍尔效应测量结果表明，随着载流子浓度增加，主导散射因子从位错散射转变为电离杂质散射。通过XRD摇摆曲线估算，本 α-Ga₂O₃ 薄膜中的穿透型位错和螺位错密度分别为 6.0 × 10⁸ 和 1.1 × 10⁹ cm^-2。这些数值与具有缓冲层的 α-Ga₂O₃ 薄膜相当。如上所述，较低的位错密度导致低载流子浓度下更高的迁移率。这些结果证明了 α-Ga₂O₃ 在高压高频电力电子器件应用中具有广阔前景。

图1. (a) 掺锗 a-Ga₂O₃ 薄膜制备后及储存 1.5 年后的 XRD 2θ/x 曲线。 (b) 室温下载流子浓度与源溶液中 [Ge]/[Ga] 摩尔比的关系曲线。(c) Ga₂O₃ 薄膜在室温下迁移率与载流子浓度的关系图。彩色实心符号分别对应本文制备的异质外延 α-Ga₂O₃ 薄膜及先前报道的样品，黑色空心符号表示先前报道的同质外延 β-Ga₂O₃ 薄膜。

图2. (a) 样品#1（n_RT ＝ 1.7 × 10¹⁷ cm^-3 , lRT ＝ 89 cm² V^-1 s^-1）和样品#2（n_RT ＝ 5.8 × 10¹⁷ cm^-3 , l_RT ＝ 99 cm² V^-1 s^-1）的载流子浓度随温度变化曲线。圆点表示实验测得的载流子浓度，虚线表示根据电荷中性方程计算的载流子浓度。(b)和(c)样品#1与#2的迁移率随温度变化曲线。圆点表示实验测得的迁移率。虚线分别表示声学变形势散射（μ_ADP）、极性光学声子散射（μ_POP）、电离杂质散射（μ_II）及位错散射（μ_dis）条件下计算的迁移率。实线为基于马蒂森规则计算的总迁移率。

图3. α-Ga₂O₃ 在室温下载流子浓度函数的实验获得的迁移率（符号）与计算的总迁移率（虚线）。图中展示了针对位错密度（N_dis）为 10⁷, 10⁸, 10⁹, 10¹⁰ 和 10¹¹ cm^-2 计算得到的迁移率。实线分别表示极性声子散射（μ_POP）和电离杂质散射（μ_II）条件下的载流子迁移率。

图4. 通过 X 射线摇摆曲线评估的不同 [Ge]/[Ga] 比值下生长的 UID 和掺锗 α-Ga₂O₃ 薄膜的螺钉位错、边缘位错及总螺纹位错密度分布。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0308320