【国际论文】通过金属有机化学气相沉积法在GaAs和三元BₓGa(₁₋ₓ)As模板上沉积的单相κ-Ga₂O₃薄膜

        由意大利帕尔马大学的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Single-phase κ-Ga₂O₃ films deposited by metal-organic chemical vapor deposition on GaAs and ternary B_xGa_(1-x)As templates（通过金属有机化学气相沉积法在 GaAs 和三元 B_xGa_(1-x)As 模板上沉积的单相 κ-Ga₂O₃ 薄膜）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，在深紫外光电子学和功率器件领域备受关注。在其多种晶相中，β-Ga₂O₃ 是最稳定和研究最广泛的，但其各向异性的物理特性限制了某些应用。亚稳态的 κ-Ga₂O₃（正交晶系）因其良好的热稳定性（高达 700°C）和可在较低温度下生长的特性，近年来也引起了广泛关注。将 Ga₂O₃ 与成熟的 III-V 族半导体（如砷化镓 GaAs）集成，有望创造出具有新颖物理特性的电子器件。目前，关于在 III-V 族材料上外延生长高质量、单相 κ-Ga₂O₃ 薄膜的报道非常少，特别是对其界面结构和生长机理的理解。

        首次采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在（001）面 p 型 GaAs 及 B_xGa_(1-x)/GaAs 模板上成功生长出单相 κ-Ga₂O₃ 薄膜。薄膜通过 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行了分析。TEM 研究显示，Ga₂O₃/GaAs 样品中首先形成了一层薄的多晶成核层，随后 κ 相以柱状结构定向生长。GaAs 样品中，柱状生长。而三元合金中的分离和扩散效应导致硼在模板表面富集，这些硼在 Ga₂O₃ 沉积的第一阶段与氧气反应，在 Ga₂O₃ 与 BGaAs/GaAs 模板界面形成一层薄的非晶氧化物（a-BGaO）。再次，柱状生长的大型 [001] 取向正交 κ 相晶粒在非晶成核层上形成，最终形成致密的镓氧化物薄膜。这些多晶或非晶中间层至关重要，因为它们为在 III-V 族立方衬底上生长相纯正交 κ-Ga₂O₃ 提供了合适的生长平台。这项工作为 κ-Ga₂O₃ 与 III-V 族半导体的集成奠定了基础，可用于制备新型电子和光电子器件的异质结。

        通过金属有机物气相沉积法（MOCVD）在（001）面 p 型 GaAs 衬底及 BGaAs/GaAs 三元合金模板上生长出相纯的 κ-Ga₂O₃ 层。值得注意的是，在 Ga₂O₃/GaAs 界面处形成了一层薄的多晶成核层。该层作为应变缓冲层，使后续生长的 κ-Ga₂O₃ 薄膜沿[001]取向发展，优先扩展并延伸与 GaAs 的 (001) 平面平行的晶粒。这种成核机制导致形成由柱状 [001] 取向晶粒组成的连续层，尽管与 GaAs 存在晶格失配，但仍能良好对齐。在 BGaAs 三元模板上沉积的结果则大不相同，因为 BGaAs 表面非常粗糙，粗糙度取决于硼的含量。此外，硼原子倾向于在三元模板表面富集，部分原因是模板生长过程中的分离，但也由于在 T>600°C 时 Ga₂O₃ 生长过程中的外扩散。模板表面过量的硼导致形成一层薄的非晶态 BGaO 中间层，该中间层遵循 BGaAs 表面的轮廓。该非晶层似乎产生两种主要效应：它作为 Ga₂O₃ 成核的基底（本研究未检测到多晶成核层），但柱状晶粒的倾斜角度不同，导致薄膜形态较 Ga₂O₃/GaAs 结构更差。在两种体系中，界面层的形成（无论是多晶 Ga₂O₃ 还是非晶 BGaO）似乎有助于应变释放，并在生长初期阶段部分解耦生长薄膜与衬底。这促进了 κ 相的稳定化，并使具有柱状 [001] 向晶粒的优质薄膜得以形成。

        这是首次在 GaAs 和 BGaAs/GaAs 上制备出相纯 κ-Ga₂O₃ 薄膜，其潜在应用可扩展至其他 III-V 族系统。所得的 κ-Ga₂O₃/GaAs 和 κ-Ga₂O₃/a-BGaO/BGaAs/GaAs 异质结构可能为新型器件（特别是设计用于垂直离平面模式时）开辟新机遇，同时也可实现这些结构与不同材料，如 MXenes 和钙钛矿的功能集成。

图1. κ-Ga₂O₃/GaAs 和 κ-Ga₂O₃/BGaAs/GaAs 异质结的示意图。并展示相关生长过程。

图2. (a) κ-Ga₂O₃/GaAs 和 (b) 参考 κ-Ga₂O₃/Al₂O₃ 样品的高分辨率 X 射线衍射图谱。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.163764