【国际论文】J PHYS D APPL PHYS丨美国德克萨斯州立大学：六方 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃（x=0.05 和 0.15）在 AlN 上的外延生长与表征

        在高功率及恶劣环境兼容的电子器件领域，Ga₂O₃ 已成为 GaN 和 SiC 的重要后继材料，具有 4.8 eV 的超宽带隙（UWBG）和高达 8 MV cm⁻¹ 的优异击穿电压。在 Ga₂O₃ 的六种多晶型（α、β、γ、δ、ε、κ）中，六方 ε-Ga₂O₃ 因其沿"a"轴高度对称且各向同性的六方晶体结构而备受关注。ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 可通过改变铟含量实现 4.9 eV–2.9 eV 的带隙调谐，这对高功率光电子器件至关重要。然而，所有 Ga₂O₃ 衍生物的热导率较低（约 27 W m⁻¹ K⁻¹），制约了高功率器件应用。该问题可通过引入热导率更高的超宽带隙材料形成异质结来缓解。AlN 具有 6.2 eV 的超宽带隙和 321 W m⁻¹ K⁻¹ 的相对较高热导率，可作为散热层。此外，ε-Ga₂O₃ 与 AlN 之间的晶格失配仅约 6.4%，远低于 ε-Ga₂O₃ 与 Si 之间约 24.2% 的失配，因此 AlN 可作为 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 与 Si 之间的晶格匹配层。此前，六方 ε-Ga₂O₃ 和正交 κ-Ga₂O₃ 在 III 族氮化物上的生长已有一定探索，但 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 在 AlN 上的生长及采用脉冲激光沉积（PLD）制备 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 尚未被尝试。脉冲激光沉积无需复杂的气相化学和昂贵的气体系统，且能精确实现化合物的化学计量转移，因此成为理想选择。

        该团队首次利用 PLD（脉冲激光沉积）技术，在 AlN 上完成 x=0.05、0.15 两种组分六方 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 的外延生长，并完成生长工艺参数优化。该团队系统调节 PLD 的加热台温度与腔体氧压，获得亚稳态六方相薄膜。最优加热台温度为 550 ℃，该温度可以避免多晶生成、抑制立方氧化铟析出，同时阻止向单斜相 β‑Ga₂O₃ 转变；腔体氧压需要设置为 1.25×10⁻² Torr，保证铟元素均匀掺入 ε‑Ga₂O₃ 晶格。XRD（X 射线衍射） phi 扫描证实六方晶体相，确定外延取向关系为 (105) ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ ∥ (103) AlN。XRD 的 2θ 峰位偏移与 XPS（X 射线光电子能谱）深度剖析证实铟成功掺杂进入晶格，薄膜中存在少量未氧化的镓原子与氧空位缺陷。测得 ε‑(In₀.₁₅Ga₀.₈₅)₂O₃ 与 ε‑(In₀.₀₅Ga₀.₉₅)₂O₃ 的禁带宽度分别为 4.55 eV 和 4.86 eV。

        ①首次实现 PLD 在 AlN 上外延 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃：该团队首次通过脉冲激光沉积（PLD）在 AlN 上成功沉积六方 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃（x=0.05 和 0.15），填补了 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 在 AlN 上生长及 PLD 制备的研究空白。

        ②温度优化窗口：确定 550 °C 为最佳加热器温度，可获得相纯单晶 ε 相，避免多晶化、抑制立方 In₂O₃ 形成及向 β-Ga₂O₃ 相转变，凸显了 ε 相生长的温度敏感性。

        ③压力调控掺杂：确定 1.25×10⁻² Torr 腔室氧压可确保铟在 ε-Ga₂O₃ 晶格中的均匀掺入，形成 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃。

        ④相鉴定与外延关系：通过 XRD phi 扫描确认六方 ε 相（区别于正交 κ 相），并确定外延关系为 (105) ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃∥(103) AlN。

        ⑤组分调控带隙：XRD 2θ 峰位移动与 XPS 深度剖面共同证实铟的均匀掺入；ε-(In₀.₁₅Ga₀.₈₅)₂O₃ 和 ε-(In₀.₀₅Ga₀.₉₅)₂O₃ 的带隙分别为 4.55 eV 和 4.86 eV，验证了带隙随铟含量的可调性。

        该团队通过系统优化 PLD（脉冲激光沉积）工艺参数，在 AlN 上获得物相纯净的单晶 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 薄膜。加热台温度偏离 550 ℃ 时，薄膜更倾向生成热力学稳定的单斜相 β‑Ga₂O₃；较低腔体氧压环境下，镓、铟易形成挥发性低价亚氧化物并从生长表面脱附，无法实现有效合金化；1.25×10⁻² Torr 的高氧压提供充足活性氧，实现镓、铟充分氧化，完成铟合金化。温度主要调控物相形成，腔体氧压主要控制薄膜化学组分与合金化效率。XRD phi 扫描结果表明 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 晶格受 AlN 晶格引导。相同铟掺杂条件下，六方 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 与单斜相 β‑(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 的带隙变化趋势相近，说明 Ga₂O₃ 的不同多晶型具备相近光学性质。该研究实现 ε-(InₓGa₁₋ₓ)₂O₃/AlN 异质结的外延生长，为深紫外光电探测器、肖特基二极管、气体传感器等大功率可调光电器件的开发奠定基础。