【会员论文】JAC丨湖北九峰山实验室首席专家魏强民、韩江实验室、武汉理工大学团队：利用液态金属印刷缓冲层实现蓝宝石衬底氧化镓的容错MOCVD异质外延

        虽然氧化镓（β-Ga₂O₃）在外延生长中表现优异，但由于其单晶衬底价格极其昂贵，在蓝宝石（Sapphire）等异质基底上进行低成本外延生长成为了工业化的主流选择。然而，异质外延面临两大挑战：一是蓝宝石与氧化镓之间巨大的晶格失配和热失配；二是外延质量对蓝宝石衬底的偏角（Offcut angle）高度敏感，特定的偏角才能实现台阶流生长，这限制了衬底的选择范围和工艺窗口。为了提高工艺的包容性（即“偏角容忍度”），研究团队提出引入一种新型的缓冲层来缓解应力并引导晶体高质量生长。

        β-Ga₂O₃ 的异质外延生长通常受到对衬底偏角（offcut angles）显著敏感性的限制，这种敏感性决定了表面台阶动力学和成核行为，从而限制了薄膜的均匀性和可重复性。本文报告了一种界面工程策略，该策略利用了液态金属打印的 Ga₂O₃ 缓冲层，该缓冲层采用了一种结构可重构的前驱体。经过热氧化和受控结晶后，这种超薄缓冲层有效地重构了界面条件，并控制了外延的早期阶段，从而为后续金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长 β-Ga₂O₃ 薄膜提供了一个准同质外延模板。值得注意的是，该缓冲层使得在偏角范围为 0° 至 6° 的蓝宝石衬底上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜具有系统改善的晶体相干性、降低的表面粗糙度和增强的形态均匀性。这种界面工程效应显著减轻了衬底几何形状所带来的限制，从而显著提高了工艺容差。这项工作强调了液态金属打印的缓冲层作为可重构界面前驱体在调节外延生长敏感性方面的有效性，提供了一种低成本且可扩展的方法来缓解衬底几何形状的限制。它为在蓝宝石上实现高质量 β-Ga₂O₃ 异质外延建立了一个稳健的范例，有助于推动电子和光电子材料平台的进步。

        ●研究首次采用液态金属（如镓基合金）打印技术在蓝宝石基底上预铺设一层超薄缓冲层。这种液态界面在高温 MOCVD 生长初期能够起到良好的应力缓冲作用，显著降低了由晶格失配引起的位错密度。

        ●该技术最大的突破在于其偏角不敏感性。实验证明，无论蓝宝石衬底的偏角如何变化，通过液态金属缓冲层的调控，均能在其表面生长出高质量、平整的 β-Ga₂O₃ 薄膜，极大地拓宽了商业蓝宝石衬底的适用范围。

        ●通过该方法生长的氧化镓薄膜，其 X 射线衍射（XRD）摇摆曲线半高宽（FWHM）显著降低，表明薄膜的晶格扭曲更小，结晶完整性更高，能够媲美甚至超越传统昂贵工艺下生长的薄膜质量。

        ●液态金属缓冲层在生长过程中通过原位转化，形成了一个极其平滑的过渡界面。原子力显微镜（AFM）结果显示，最终外延层的表面均方根粗糙度极低，为后续制备高性能功率器件（如 SBD 或 FET）提供了理想的表面。

        ●该研究结合了打印技术的高效率与 MOCVD 的高性能，为在大尺寸、低成本蓝宝石基底上大规模制备高性能氧化镓外延片提供了一种极具竞争力的技术方案，对推动氧化镓器件的商业化具有重要意义。

        综上所述，本研究展示了一种液态金属打印的氧化镓（Ga₂O₃）缓冲层策略，用于调节蓝宝石基底上金属有机化学气相沉积（MOCVD）异质外延生长的 β-Ga₂O₃。通过引入可重构的界面前驱体，打印的 Ga₂O₃ 缓冲层有效地改变了早期生长条件，实现了应变调节，更重要的是，使成核环境均匀化。这从根本上削弱了传统外延生长固有的严格基底取向选择性。因此，在所研究的整个基底斜切角度范围内，均能持续获得优异的薄膜性能，包括约 1.1° - 1.2° 的窄 X 射线摇摆曲线半高宽（FWHM）、低于 3 nm 的低均方根（RMS）粗糙度，以及显著降低的氧空位相关缺陷浓度。该方法放宽了传统异质外延中对基底取向的严格要求，从而提高了工艺容差和可重复性。除 β-Ga₂O₃ 外，这种通过打印缓冲层介导的生长解耦策略还可能为在非原生基底上实现宽带隙半导体的稳健异质外延提供一种通用的界面工程途径。

        本研究得到了潮州市陶瓷产业人才振兴计划项目（GXYJ001）和中国国家自然科学基金（编号52472072和52502075）的支持。作者特此感谢湖北省重大项目（JD）（编号2023BAA009）以及JFS实验室的支持。

图1. β-Ga₂O₃ 缓冲层的印刷制备与表征。（a）β-Ga₂O₃ 缓冲层制备工艺示意图。（b）硅基上印刷的两英寸均匀 GaO_x 薄膜的光学图像。（c）退火后 β-Ga₂O₃ 缓冲层的原子力显微镜（AFM）图像和（d）均方根（RMS）粗糙度。（e）β-Ga₂O₃ 缓冲层的掠入射X射线衍射（GIXRD）图谱。（f）β-Ga₂O₃ 缓冲层中 Ga 2p 的 X 射线光电子能谱（XPS）图谱和（g）O 1s 的 XPS 图谱。

图2. 有无缓冲层的外延层形貌对比。（a）横截面高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。（b）横截面高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。插图为相应的选区电子衍射（SAED）图案。不同斜切角度下，在蓝宝石上生长的带有和不带 Ga₂O₃ 缓冲层的薄膜的均方根粗糙度（RMS）（c）、扫描电子显微镜（SEM）图像（d）和原子力显微镜（AFM）图像（e）。

图3. 外延 β-Ga₂O₃ 薄膜的高分辨X射线衍射（HRXRD）分析。(a) 生长时有无 Ga₂O₃ 缓冲层的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射。实线和不透明线表示使用印刷缓冲层生长的薄膜，而细线和半透明线则对应直接在蓝宝石基底上生长的薄膜。(b) 生长时有无 Ga₂O₃ 缓冲层的样品的(-201)晶面的摇摆曲线。(c) 使用 Ga₂O₃ 缓冲层时，在所有偏角上的 φ 扫描测量结果，以及(d)在 2° 偏角的基底上，有无 Ga₂O₃ 缓冲层的 φ 扫描测量结果。

图4. 外延生长的 Ga₂O₃ 层的化学状态变化。在蓝宝石基底上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜（斜切角为2°）的 XPS 图谱，(a)为 Ga 2p，(b)为 O 1s，均包括有无 Ga₂O₃ 缓冲层的情况。

图5. 外延生长薄膜的光学特性比较。(a) 带有 Ga₂O₃ 缓冲层的 β-Ga₂O₃ 薄膜的透射光谱，插图显示了 β-Ga₂O₃ 薄膜的光学带隙。(b) 从 Tauc 图中提取的光学带隙值的统计图。(c) 在蓝宝石上以 4° 偏角生长的带有和不带 Ga₂O₃ 缓冲层的 β-Ga₂O₃ 薄膜的 PL 光谱。

图6. 所提改善外延质量机制的示意图。(a)蓝宝石上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜和(b)印刷 Ga₂O₃ 缓冲层上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188281