【国际论文】Materials & Design丨韩国中央大学：(-201) 取向的β-Ga₂O₃薄膜在c面蓝宝石上的免退火异质外延生长——采用低温激光辅助射频溅射技术

        由韩国中央大学的研究团队在学术期刊 Materials & Design 发布了一篇名为 Post-annealing-free heteroepitaxial growth of (-201)-oriented β-Ga₂O₃ thin films on c-plane sapphire by low-temperature laser-assisted RF sputtering（(-201) 取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜在 c 面蓝宝石上的免退火异质外延生长——采用低温激光辅助射频溅射技术）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体材料，因其宽禁带（4.8–5.3 eV）和高击穿场强（8 MV/cm），在电力电子和光电器件领域受到广泛关注，其中 β-Ga₂O₃ 因热力学上最稳定而成为最有前景的候选材料。要实现高性能 Ga₂O₃ 基器件，关键在于生长具有受控晶体取向的高质量晶体薄膜。目前已发展了多种沉积技术，如金属有机化学气相沉积（MOCVD）、原子层沉积（ALD）、氢化物气相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、磁控溅射和溶胶-凝胶涂覆等。其中，磁控溅射因其成本效益和高可控性而被广泛采用。然而，常规射频（RF）溅射生长高取向 β-Ga₂O₃ 薄膜通常需要 600–800 °C 的高衬底温度，且常需高达 900 °C 或更高的退火处理以改善结晶度并获得（-201）取向。高衬底温度和退火处理会延长工艺时间、增加能耗，并可能降低薄膜质量。因此，在降低热预算的条件下实现外延对准的沉积策略至关重要。为此，该团队采用激光辅助RF溅射技术，即在薄膜生长过程中通过石英观察窗原位施加 1064 nm 镱脉冲激光，以补充额外的脉冲能量输入。本研究将该方法首次应用于 c 面蓝宝石上低温、免退火的 β-Ga₂O₃ 异质外延生长，在室温至 400 °C 的衬底温度范围内沉积了（-201）取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并通过衍射和显微分析证实了 400 °C 条件下免退火异质外延生长的实现。

        β-Ga₂O₃ 是一种极具前景的超宽禁带半导体，适用于下一代电力电子和深紫外光电器件，但其外延生长通常需要高于 600 °C 的衬底温度或退火处理。在此，该团队报道了利用 1064 nm 镱脉冲激光辅助射频磁控溅射工艺，在 c 面蓝宝石上实现免退火的（-201）取向 β-Ga₂O₃ 薄膜异质外延生长。在 100–400 °C 条件下形成了择优取向的 β-Ga₂O₃ 薄膜，并在 400 °C 时获得了良好的（-201）取向异质外延薄膜。据该团队所知，这是目前报道的基于溅射的 β-Ga₂O₃ 异质外延中无需退火的最低衬底温度之一。射频功率控制实验证实，仅提高射频功率无法复现激光辐照下实现的取向选择性生长。X 射线衍射（XRD）、倒易空间映射、φ 扫描、高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和选区电子衍射（SAED）共同证实了 β-Ga₂O₃ (-201) || Al₂O₃ (0001) 的外延关系，并存在六个面内旋转畴。400 °C 的薄膜具有清晰的界面、6.34 g/cm³ 的密度和 4.95 eV 的光学带隙。XPS分析表明，衬底温度升高时 Ga-O 键增强，氧空位相关组分减少。这些结果表明，激光辅助射频溅射是 β-Ga₂O₃ 在蓝宝石上进行免退火异质外延生长的有效低热预算途径。

        ①免退火低温异质外延：该团队利用激光辅助射频溅射技术，在400 °C条件下实现了c面蓝宝石上（-201）取向 β-Ga₂O₃薄膜的免退火异质外延生长，这是目前报道的基于溅射的 β-Ga₂O₃异质外延中最低衬底温度之一。

        ②取向选择性生长机制：通过射频功率对照实验证实，仅提高射频功率无法复现激光辐照下实现的（-201）取向选择性生长，表明激光辅助提供了额外的脉冲能量用于表面迁移和原子重排。

        ③完整阐明薄膜-衬底外延晶体学关系：通过 XRD、倒易空间图、φ 扫描、HR TEM、SAED 综合表征，确定 β-Ga₂O₃ (-201) || Al₂O₃ (0001) 外延关系，证实薄膜存在 6 组面内旋转畴。

        ④薄膜综合性能优异：400 ℃ 样品密度达 6.34 g/cm³，光学带隙 4.95 eV；表面均方根（RMS，Root‑Mean‑Square）粗糙度为 0.585 nm（该数据来自正文表面形貌表征，图 7 (b)）；XPS 证实高温条件下 Ga‑O 键合增强，氧空位缺陷占比下降。

        ⑤工艺拓展潜力：该低热预算工艺思路可迁移到其他受高温限制的复合氧化物异质集成体系

        该团队提出一种激光辅助射频溅射工艺，在最高 400 ℃ 的衬底温度下，在 c 面蓝宝石衬底上实现无后退火的 (-201) 取向 β-Ga₂O₃ 薄膜异质外延。在 100-400 ℃ 的衬底温度区间内可以生成择优取向 β-Ga₂O₃ 薄膜，400 ℃ 得到结晶质量良好的 (-201) 取向外延薄膜。同样 400 ℃ 条件下，无激光辐照制备的薄膜结晶质量差、晶粒取向随机；激光辐照可以实现清晰的 (201) 取向结晶有序化。配套射频功率对照实验表明，没有激光辅助时，单纯增大射频功率，无法复现激光辐照带来的取向选择性生长。另外，450 ℃ 激光辅助实验观测到微弱 β-Ga₂O₃ (400) 衍射峰，说明温度超过最优生长温度后取向选择性下降。XRD、倒易空间图、HR-TEM、SAED 证实 β-Ga₂O₃ (-201) || Al₂O₃ (0001) 的外延关系；φ 扫描检测到 6 组对称等效的面内旋转畴。400 ℃ 激光辐照制备的薄膜拥有 6.34 g/cm³ 的高密度、4.95 eV 的光学带隙，表面均方根粗糙度为 0.585 nm。场发射扫描电镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）结果显示，随着衬底温度升高晶粒不断发育，100 ℃ 以上表面粗糙度逐步降低。XPS 分析表明，衬底温度升高促进 Ga-O 键合更加充分，氧空位相关组分占比从 4.49 % 下降至 2.93 %。激光辅助效应来源于薄膜生长过程额外的脉冲能量输入，该效应包含等离子体介导相互作用与对生长表面的直接辐照两种途径，在低热预算条件下促进表面扩散与原子重排，实现结晶有序。该低热预算工艺也有希望拓展到其他受高温工艺限制的复合氧化物薄膜异质集成体系。总体来看，射频溅射过程中引入脉冲能量提供了一项新的工艺调控手段，可以在降低衬底温度要求的前提下提升结晶有序度，实现低热预算条件下无后退火 (-201) 取向 β-Ga₂O₃ 的异质外延。

图 1. 低温 β-Ga₂O₃ 在 c 面蓝宝石上异质外延的激光辅助射频磁控溅射工艺示意图。

图 2. (a) 不同衬底温度、激光辐照条件下，在 (0001) c 面蓝宝石衬底上沉积 β-Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱。(b) 400 ℃ 有无激光辐照条件下薄膜的 XRD 图谱对比。(c) 400 ℃ 样品 (402) 衍射峰摇摆曲线（ω 扫描），拟合分为窄峰（半高宽 ≈ 0.074°）和宽分量（半高宽 ≈ 2.3°）。(d) 晶粒尺寸、微应变、位错密度随衬底温度的变化。(e) 有无激光辐照条件下 β-Ga₂O₃ 在 c 面蓝宝石上生长的原理对比示意图。

图 3. c 面蓝宝石上 β-Ga₂O₃ 薄膜的倒易空间图（RSM）与高分辨 XRD 分析。(a) 400 ℃ 激光辐照样品，β-Ga₂O₃ (-402) 与 Al₂O₃ (0006) 衍射峰附近的倒易空间图。(b) 不同衬底温度样品 β‑Ga₂O₃ (-402) 与 Al₂O₃ (0006) 附近的高分辨 XRD 2θ‑ω 扫描曲线。(c) 不同衬底温度下倒易晶格偏移量 ΔQₓ 和 ΔQ_z 的变化。

图 4. 400 ℃ 制备样品的面内 XRD φ 扫描。(a) β-Ga₂O₃ (-401) 衍射峰；(b) c 面蓝宝石衬底 Al₂O₃ (113) 衍射峰。

图 5. 400 ℃ 条件下制备 β-Ga₂O₃ 薄膜的透射电镜（TEM）与选区电子衍射（SAED）表征。(a) 激光辐照样品在 c 面蓝宝石上 β-Ga₂O₃ 薄膜的截面透射电镜图。(b,c) 分别为有、无激光辐照条件下 β-Ga₂O₃ 薄膜的高分辨透射电镜图。(d) 取自图 5 (b) 标记 d 区域 Al₂O₃ 衬底的选区电子衍射花样。(e) 取自图 5 (b) 标记 e 区域激光辐照 β-Ga₂O₃ 薄膜的选区电子衍射花样。(f) 取自图 5 (c) 标记 f 区域无激光辐照薄膜的选区电子衍射花样。

DOI：

doi.org/10.1016/j.matdes.2026.117015