【会员论文】Nano Letters丨甬江实验室、中国科学院宁波材料所团队：通过Ar离子轰击表面改性实现原子尺度应变弛豫以用于单晶β-Ga₂O₃ (010)异质外延

        由甬江实验室‌、中国科学院宁波材料技术与工程研究所的叶继春研究员、张文瑞研究员联合哈尔滨工业大学（深圳）的研究团队在学术期刊 Nano Letters 发布了一篇名为 Atomic-Scale Strain Relaxation via Ar-Bombarded Surface Modification for Enabling Single-Crystalline β-Ga₂O₃ (010) Heteroepitaxy（通过 Ar 离子轰击表面改性实现原子尺度应变弛豫以用于单晶 β-Ga₂O₃ (010) 异质外延）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为一种典型的超宽禁带半导体，具有较大的禁带宽度和较高的理论击穿电场，在高压功率电子器件、深紫外光电探测器等领域具有重要应用潜力。然而，高质量、大面积 β-Ga₂O₃ 单晶衬底的制备成本较高，这在一定程度上限制了器件的大规模应用。因此，在低成本、易获得的异质衬底上实现高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜外延生长，是推动氧化镓材料产业化的重要研究方向。蓝宝石（Al₂O₃）具有成本低、热稳定性好、尺寸较大等优势，是一种具有吸引力的 β-Ga₂O₃ 异质外延衬底。然而，由于 β-Ga₂O₃ 与蓝宝石之间存在较大的晶格失配以及晶体结构差异，异质外延过程中容易产生较大的界面应变和晶格缺陷。这些问题会进一步导致薄膜中出现位错、晶界及其他结构缺陷，从而影响薄膜的晶体质量、电学性能及器件可靠性。目前，为改善 Ga₂O₃ 异质外延质量，通常采用缓冲层、生长条件优化或后处理等方法调控界面结构。但传统缓冲层策略往往增加工艺复杂度，并且难以从根本上解决异质界面处的应变累积问题。因此，如何在原子尺度上调控衬底表面结构，并实现外延薄膜应变的有效释放，是高质量 Ga₂O₃ 异质外延研究中的关键科学问题。该团队注意到，异质外延薄膜的形成与界面初始原子排列及应变状态密切相关。如果能够在薄膜生长前对衬底表面进行精确调控，就有可能改变界面的应变演化路径，从而促进高质量外延生长。基于此，该团队提出采用 Ar⁺ 离子轰击（Ar⁺ bombardment） 对 m 面蓝宝石衬底进行表面改性。该方法并非简单地改变衬底表面粗糙度，而是希望通过原子尺度的表面结构调控，在 β-Ga₂O₃ 外延初始阶段形成特殊的界面过渡层，实现界面应变的重新分配与快速释放。研究发现，在经过 Ar⁺轰击处理后的蓝宝石衬底上，Ga₂O₃ 薄膜生长过程中可以形成超薄的 α-Ga₂O₃ 过渡层。该过渡层能够承受并调节界面应变，随后促进亚稳态 α-Ga₂O₃ 向稳定 β-Ga₂O₃ 相转变，从而实现 β-Ga₂O₃ 薄膜的高质量异质外延生长。

        氧化镓（Ga₂O₃）是一种新兴的超宽带隙半导体，可应用于大功率电子器件和日盲光电子器件。本文展示了一种原子尺度的应变松弛方法，可在初始成核阶段实现 Ga₂O₃ 从 α 相到 β 相的完全相变，从而实现单晶 β-Ga₂O₃ (010) 薄膜的异质外延生长。通过氩离子（Ar⁺）轰击策略，在亚稳态 α-Ga₂O₃ 中间层中形成周期性应变释放位点，从而缓解其压应力并促进相变。这一过程通过X射线衍射、原子力显微镜、原子分辨率扫描透射电子显微镜以及几何相位分析的综合表征得以证实。在 m 面蓝宝石衬底上成功制备了具有明显供体活化行为的异质外延 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ (010) 薄膜，并制备出反向击穿电压高达 1590 V 的横向肖特基势垒二极管。本研究为原子尺度的应变工程和局域外延生长提供了关键见解，有助于在经济高效的基板上制备高质量的 β-Ga₂O₃ 薄膜，以应用于先进电子器件。

        ①通过对 m 面蓝宝石进行 Ar⁺ 离子轰击，实现衬底表面的原子尺度调控，为 β-Ga₂O₃ 异质外延提供新的界面工程方法。

        ②揭示在 β-Ga₂O₃/sapphire 界面形成超薄 α-Ga₂O₃ 过渡层，该层能够承担界面应变并促进应变快速释放。

        ③通过原子分辨 STEM、GPA 应变分析及 EELS 表征，揭示了界面应变调控、α-Ga₂O₃ 形成及向 β-Ga₂O₃ 转变之间的关系。

        ④在优化 Ar⁺ 轰击条件后，实现了纯相的 (010) β-Ga₂O₃ 外延薄膜，为低成本衬底上的高质量氧化镓外延提供了新路径。

        本研究提出了一种原子尺度应变松弛方法，用于实现单晶 β-Ga₂O₃ (010) 异质外延。与传统上在 m 面蓝宝石上生长 α-Ga₂O₃ 薄膜的观察结果不同，对蓝宝石衬底进行 Ar⁺ 轰击处理可有效改变相演化路径，并形成高质量、均匀的 (010) β-Ga₂O₃ 薄膜。XRD、AFM、STEM/EELS 和 GPA 的综合分析表明，表面处理在初始的 α-Ga₂O₃ 成核层上引入了用于压应力松弛的周期性表面位点，从而导致纳米厚度范围内 α-Ga₂O₃ 向 β-Ga₂O₃ 的突然相变。在 m 面蓝宝石上成功生长出生长速率更高的 β-Ga₂O₃ (010) 异质外延膜，其全宽半高值（FWHM）为 0.59°。这种应变松弛方法支持生长具有明显供体活化行为的异质外延 (010) β-Ga₂O₃ 薄膜，并演示了反向击穿电压为 1590 V 的横向肖特基势垒二极管。本研究揭示了原子尺度应变工程在拓展先进电子器件外延范式方面发挥的关键作用。

        本研究得到国家自然科学基金（62304227）、 中国博士后科学基金（2025M773410）、浙江省自然科学基金（LQN26F040002，LQ23F040005）以及波市甬江人才工程计划（2021A-046-C）。

图1. (a) 表面 Ar⁺ 轰击处理及改性m面蓝宝石的示意图。(b) β-Ga₂O₃ 薄膜中 (020) 衍射峰的 X 射线摇摆曲线。(c) 经 Ar⁺ 轰击与未经 Ar⁺ 轰击处理的 m 面蓝宝石衬底上生长的外延 Ga₂O₃ 薄膜的高分辨率 θ-2θ XRD 图谱。(d) Ga₂O₃ 薄膜的透射光谱及 Tauc 图（插图）。(e) 经 Ar⁺ 轰击与未经 Ar⁺ 轰击的蓝宝石衬底上 Ga₂O₃ 薄膜的拉曼光谱。其他未标注的峰对应于蓝宝石衬底的拉曼带。

图2. 生长在 m 面蓝宝石衬底上的（a）α-Ga₂O₃ 薄膜和（e）β-Ga₂O₃ 薄膜的低倍截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像。界面区域附近（b）α-Ga₂O₃ 薄膜和 （f）β-Ga₂O₃ 薄膜的放大截面透射电子显微镜（TEM）图像。(c, g) 薄膜区域的 SAED 图；(d, h) 图 (b) 和 (f) 中白框标出的区域的高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像，以及相应的 α-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃ 薄膜原子模型。

图3. 生长在m面蓝宝石衬底上的（a）α-Ga₂O₃ 薄膜和（d）β-Ga₂O₃ 薄膜的高分辨率 S/TEM 图像。GPA ε_xx 和 ε_yy 应变图分别对应（b、c）α-Ga₂O₃ 薄膜和（e、f）β-Ga₂O₃ 薄膜。（g） β-Ga₂O₃/α-Ga₂O₃/Al₂O₃ 界面的原子分辨率 STEM 图像，以及相应的 Al、Ga 和 O 的 EELS 图。(h) 为测定界面处 O 和 Ga 的强度，在 STEM 图像中所示位置采集的 EELS 光谱。(i) 根据图 (h) 获得的 Ga 和 O 信号强度随探测位置的变化关系。

图4. (a)未经处理的蓝宝石衬底和 (e) 经 Ar⁺ 轰击的蓝宝石衬底的原子力显微镜（AFM）图像。(b-d) 分别在生长时间分别为 60 s、120 s 和 80 min 时，生长在未经处理的蓝宝石衬底和 (f-h) 经 Ar⁺ 轰击的蓝宝石衬底上的 Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 图像。(i) 示意图，突出了在 Ar⁺ 轰击的 m 面蓝宝石衬底上生长 (010) 取向 β-Ga₂O₃ 薄膜的三个关键阶段。

图5. (a) 绝缘型和导电型 β-Ga₂O₃ 薄膜的 CL 光谱。(b) 采用两个平面电极在 25 至 225 °C 范围内测得的导电型 β-Ga₂O₃ 薄膜的温度依赖性 I−V 特性曲线。插图显示了按线性刻度绘制的 I−V 特性曲线。(c) 根据温度依赖性电导率 (G) 数据绘制的阿伦尼乌斯图，用于估算输运活化能，虚线表示对数据的线性拟合。(d) 横向 SBD 的俯视光学显微镜图像。(e) SBD 的对向 I−V 特性曲线（对数刻度）。插图显示了相应的线性 I−V 曲线。(f) SBD 的反向击穿特性曲线。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c03428