【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授：通过MOCVD技术实现β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃薄膜的成分工程和性能优化

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Compositional engineering and performance optimization of β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ Films via MOCVD Epitaxy（通过 MOCVD 技术实现 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的成分工程和性能优化）的文章。

        本研究得到国家自然科学基金委员会（NSFC）（Grant No. U21A20503）的资助。

        宽禁带半导体材料因其优异的电学、光学和热学特性，在高功率、高频率和高温电子器件领域受到了广泛关注。在这些材料中，氧化镓 (Ga₂O₃) 因其超宽禁带（约 4.9 eV）、高击穿电场（约 8 MV/cm）和优良的加工性能，成为下一代功率器件和深紫外探测器的热门候选材料。然而，单组分 Ga₂O₃ 材料在带隙宽度和电子结构方面的可调性有限，难以满足某些先进器件应用的严苛性能要求。为解决这些局限性，研究人员转向开发 Ga₂O₃ 的衍生材料，特别是铝掺杂氧化镓 ((Al_xGa_1-x)₂O₃)，旨在通过元素掺杂和异质结构工程实现对材料性能的进一步优化和控制。(Al_xGa_1-x)₂O₃ 作为 Ga₂O₃ 基宽禁带半导体的重要拓展，通过调控铝（Al）的组分可以有效调节带隙宽度和电子结构，在应用于高压功率器件和光电子器件方面展现出巨大潜力。研究表明，通过调整 Al 组分，(Al_xGa_1-x)₂O₃ 的带隙可以在 4.9 eV 到 8 eV 之间连续可调，从而满足各种器件应用对不同带隙的需求。

        系统研究了在 Ga₂O₃ 衬底上外延生长的不同铝成分的 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的微观结构、电子能带和界面特性。研究采用了先进的表征技术，包括 X 射线光电子能谱 (XPS)、透射电子显微镜 (TEM) 和几何相分析 (GPA)，以阐明铝掺杂对带隙宽度、晶格应变和缺陷分布的调节机制。结果表明，铝成分的增加会导致带隙宽度逐渐增大，而氧空位的形成呈现非线性趋势，在铝浓度较高时，氧空位的形成在最开始时会减少，随后会增加。适度的铝掺杂可提高薄膜的结晶质量和结合强度，而过量的铝掺杂则会带来显著的晶格应变和缺陷积累。此外，(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结界面表现出极佳的晶格匹配，外延 Ga₂O₃ 层在减轻界面应力方面发挥了关键作用。通过优化外延生长参数，这项研究实现了对 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜结构和电子特性的精确控制，为开发高性能宽带隙半导体器件提供了实验启示和理论指导。

        ● 系统研究在 Ga₂O₃ 衬底上外延生长的 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜。

        ● 揭示了氧空位动力学受 Al 掺杂影响的非线性趋势。

        ● 确定了可提高晶体质量和结合强度的最佳铝掺杂水平。

        ● 在异质结中实现了出色的晶格匹配和界面应力缓解。

        ● 为高性能宽带隙半导体提供了实验和理论见解。

        本研究采用 MOCVD 外延生长法成功制备了不同铝成分的 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜，并对其微观结构、电子能带特性和界面特性进行了系统研究，以阐明铝掺杂对 Ga₂O₃ 基材料性能的调节机制。结果表明，铝掺杂能有效调节薄膜的带隙宽度和晶格应力，从而优化其光电和热性能。原子力显微镜（AFM）和X射线衍射（XRD）分析表明，镓的流动速率对表面形貌和铝/镓成分比有显著影响，而高分辨率 TEM 和 GPA 则证实，(Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜中的晶格应力得到了有效缓解，并保持了良好的晶体结构和界面质量。此外，XPS 结果表明，适度的铝掺杂可抑制氧空位和其他缺陷态的形成，从而提高晶体的有序性和带隙宽度；而过量的铝掺杂则可能增加氧空位浓度，降低晶体质量，会造成成分控制的问题。这项全面的研究确立了铝成分调节薄膜性能的物理和化学机制，优化了外延生长过程，为设计和开发下一代高性能宽带隙半导体器件奠定了坚实的基础。这些发现不仅拓展了 (Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结在电力电子、光电子和深紫外器件中的应用潜力，还为宽禁带半导体材料的制造和性能优化提供了重要的科学指导。

图 1. (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的原子力显微镜图像：（a）Ga:50sccm，（b）Ga:40sccm，（c）Ga:30sccm，（d）Ga:20sccm。

图 2：(a) (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的 (-603) ω 峰扫描摇摆曲线，(b) (Al_xGa_1-x)₂O₃ 合金的拉曼光谱，其中 Al 成分 (x) 最大为 0.34。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181060