【国内论文】南京大学叶建东教授团队：α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 异质外延中应变介导的组分牵引效应

        由南京大学叶建东教授的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Strain-mediated compositional pulling effect in α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ heteroepitaxy（α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 异质外延中应变介导的组分牵引效应）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）具有超宽禁带和较高的理论击穿电场，在高功率、高频电子器件领域具有重要的应用潜力。其中，单斜相 β-Ga₂O₃ 已经能够通过熔体生长技术制备大尺寸、高质量单晶衬底，因此受到广泛关注。然而，β-Ga₂O₃ 的电子迁移率相对较低，限制了其在高性能射频（RF）晶体管中的载流子输运能力和频率响应。为了改善器件性能，研究人员通过异质结构设计，利用不同材料之间的能带偏移和调制掺杂，在 β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结构中实现二维电子气（2DEG），为高频、高功率晶体管提供了可行的技术路线。但该体系仍存在一定局限：随着 Al 组分增加，β 相合金的稳定性受到限制，容易出现相分离等问题，进而制约势垒层 Al 含量的进一步提高以及导带偏移和界面载流子限制能力的增强。相比之下，具有刚玉结构的 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 合金体系中，α-Ga₂O₃ 与 α-Al₂O₃ 具有相同的晶体结构，有利于实现更高的 Al 组分，同时可利用蓝宝石衬底进行异质外延生长，因此被认为是构建高性能氧化物异质结构的潜在材料体系。然而，在异质外延过程中，衬底与外延层之间的晶格失配会引入较大的外延应变，并影响合金中 Al、Ga 原子的掺入行为，使实际组分分布偏离预设的均匀组分，这种现象被称为组分牵引效应。在 InGaN/GaN 和 AlGaN/AlN 等材料体系中，研究已经表明，应变及其弛豫过程能够改变不同阳离子的掺入倾向，并形成沿外延生长方向变化的组分分布。但是，对于 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃，组分牵引效应是否同样由应变弛豫驱动，以及界面应变的不同方向是否会改变 Al、Ga 原子的优先掺入行为，此前仍缺乏充分研究。针对这一问题，该论文采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在非极性 m 面蓝宝石衬底上生长 Al 组分为 0.42–0.92 的 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 外延层，并结合高分辨率 X 射线衍射（HRXRD）、X 射线倒易空间映射（RSM）、能量色散 X 射线能谱（EDS）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）以及几何相位分析（GPA）等手段，系统研究 Al 组分、晶格失配、应变状态和深度方向组分分布之间的关系。

        精确的成分控制对于定制α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃异质结构至关重要，但在异质外延过程中，这一控制往往会受到成分拉伸效应（CPE）的影响。在此，研究团队在非极性m面蓝宝石衬底上生长了Al含量范围为x＝0.42–0.92的α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃外延层，以阐明CPE的应变介导成因。临界厚度计算、倒空间映射、能量色散X射线光谱以及几何相位分析共同揭示，当x＝0.42–0.62时，α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃呈应变松弛生长；而当x＝0.71–0.92时，则转变为完全应变的伪形生长，这一转变取决于成分。应变松弛的α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃外延层在异质界面附近表现出明显的铝富集现象，其成分梯度长度随铝含量增加而从约72 nm缩短至22 nm；而完全应变的α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃外延层则成分均匀。在蓝宝石和α-Ga₂O₃模板上对α-(Al₀.₄₀Ga₀.₆₀)₂O₃进行的对比生长实验进一步揭示了阳离子重新分布路径的逆转：压应力促进Al的掺入，而拉应力则驱动Ga的富集。这些结果证实，CPE 是一种双向的、由应变介导的阳离子掺入响应，并为 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 异质结构中的界面成分工程提供了物理依据。

        ①在 Al 组分为 0.42–0.92 的 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 外延层中，发现 Al 组分为 0.42–0.62 时发生应变弛豫并出现界面 Al 富集，而 0.71–0.92 时保持完全应变生长且组分基本均匀。

        ②压缩应变促进 Al 掺入，拉伸应变促进 Ga 富集，说明界面应变方向能够决定组分重新分布的方向。

        ③将组分牵引效应与应变弛豫及弹性应变能联系起来，为 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 异质结构的界面组分设计与调控提供理论和实验依据。

        在 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 异质外延中揭示了一种应变介导的、双向的成分拉动效应。研究团队发现了一种随成分变化的过渡现象：即从松弛的、成分梯度生长转变为完全应变的伪形生长，并证实该现象与局部应变场的演变直接相关。研究团队进一步证明，界面应变的极性会选择性地促进Al或Ga的掺入，从而确立了弹性应变能作为合金重新分布的主导驱动力。该机制为应变调控下的成分控制以及刚玉结构氧化物异质结构的理性设计奠定了基础。

        本研究得到了国家自然科学基金（62425403,62234007,62293522）以及江苏省科技重大项目（BG2024030,BK20253003）的资助。

图1. (a) α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃外延层在Al含量为42%至92%范围内的对称高分辨率X射线衍射（HRXRD）2θ-ω扫描图，以及(b)其归一化X射线散射曲线（XRC）。(c) 作为合金晶格参数函数的FWHM和RMS曲线。上轴标示了相对于蓝宝石的相应晶格失配量。(d) 采用People–Bean模型计算的临界厚度h_c与Al组分的关系曲线。实验测得的薄膜厚度数据叠加于图中，符号表示实验确定的应变状态。

图2.α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 外延层的非对称 (22-40) RSMs，其中Al含量分别为：(a) 42%、(b) 51%、(c) 62%、(d) 71%、(e) 84%和 (f) 92%。

图3. α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃外延层的截面能谱（EDS）元素图及其相应的、随深度变化的Al和Ga原子百分比分布曲线，其中Al的组成分别为：(a) 42%,(b) 51%,(c) 62%,(d) 71%,(e) 84% 以及 (f) 92% 的 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 外延层。

图4.图(a)和(b)分别显示了生长在m面蓝宝石上的 α-(Al_0.42Ga_0.58)₂O₃ 和α-(Al_0.92Ga_0.08)₂O₃外延层的横截面高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。图(c)和(d)分别给出了相应的基于GPA法计算的面内应变分量ε_xx分布图。

图5. 直接生长在（a）m面蓝宝石上以及（b）α-Ga₂O₃模板上的α-(Al₀.₄₀Ga₀.₆₀)₂O₃外延层的不对称（22-40）RSM。(c) 和 (d) 分别是 (a) 和 (b) 中所示外延层的截面能谱（EDS）元素图及其相应的Al和Ga深度依赖性成分剖面。图 (d) 中的虚线标出了从α-(Al₀.₄₀Ga₀.₆₀)₂O₃/α-Ga₂O₃异质界面延伸出来的锗富集锥形区域。图 (e) 和 (f) 分别示意了在压应力和拉应力界面约束下应变介导的成分拉伸效应，突出了Al和Ga的应变选择性掺入。

DOI：

https://doi.org/10.1063/5.0348045