【会员论文】香港科技大学（广州）陈子强教授团队：Sn辅助低压化学气相沉积法在蓝宝石 (0001) 衬底生长高质量ε-Ga₂O₃

        由香港科技大学（广州）陈子强教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Sn-assisted epitaxial growth of high-crystallinity κ/ε-Ga₂O₃ on sapphire (0001) by low-pressure Mist-CVD（Sn 辅助的低压雾化化学气相沉积法在蓝宝石 (0001) 衬底上外延生长高结晶质量的 κ/ε-Ga₂O₃）的文章。

        本工作得到以下项目资助：香港科技大学（广州）创业基金；广州市科学技术项目，项目编号：2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310 和 2023A03J0152；广东省教育厅项目，编号：2024ZDZX1005；国家外国专家局项目，编号：Y20240005；以及香港科技大学（广州）的材料表征与制备平台（MCPF）和绿色电子材料实验室的支持。

        氧化镓（Ga₂O₃）因其超高击穿电场、优异的 Baliga 优值以及出色的耐辐射性能，已成为功率电子器件的重要材料。传统上，β 相 Ga₂O₃ 因其稳定性和商业可行性而在高压器件中得到广泛应用。然而，近年来研究重心逐渐转向其亚稳态 ε 相（ε-Ga₂O₃），该相兼具高自发极化（约25 μC/cm²）和较大压电常数（d₃₃ ≈ 10.8–11.2 pm/V），使其在下一代高电子迁移率晶体管（HEMT）和射频谐振器中具有巨大应用潜力。高质量 ε-Ga₂O₃ 外延薄膜的制备仍然是器件实现的关键挑战。研究表明，Sn 掺杂能够稳定ε相，同时抑制 β/α 相的形成并改善表面形貌，提升亚稳相的热稳定性。然而，要实现器件级薄膜，还需精确控制晶体质量、界面陡度和厚度均匀性，而现有的外延生长技术难以兼顾这些要求。雾化化学气相沉积（Mist-CVD）作为一种低成本的 ε-Ga₂O₃ 外延方法，仍存在工艺优化不足和晶体质量受限的问题。其他方法如 MOCVD、HVPE 和 ALD在晶体质量上虽有进展，但面临高成本、厚度可控性差或加工条件苛刻等问题。因此，如何在兼顾成本、晶体质量和可控性的前提下，实现高质量 ε-Ga₂O₃ 薄膜的外延生长，是当前功率电子和高频器件发展中的核心技术难题。

        超宽禁带氧化镓（Ga₂O₃）多晶型材料在高功率电子器件和多功能器件领域开辟了新前沿。其中，正交相（通常称为 κ-Ga₂O₃ 或 ε-Ga₂O₃，本文中统一记作 ε-Ga₂O₃）以其卓越的自发极化特性和较大的压电系数脱颖而出，使其成为下一代高电子迁移率晶体管（HEMT）和射频谐振器的理想候选材料。然而，由于存在界面过渡层以及晶体学控制受限，高质量 ε-Ga₂O₃ 薄膜的外延生长仍具有挑战性。在此工作中展示了一种创新的锡辅助低压雾化化学气相沉积（Sn-assisted low-pressure Mist-CVD）技术，实现了在 c 面蓝宝石衬底上生长单相 ε-Ga₂O₃ 薄膜，并达到了前所未有的晶体质量。所得薄膜表现出极窄的 X 射线衍射摇摆曲线（半高宽，FWHM = 0.08°），同时实现了原子级平滑的表面（均方根粗糙度，RMS = 1.51 nm）。关键创新点包括通过锡介导的成核完全抑制了界面过渡层，并在优化的低压条件下实现了真正的逐层生长。这种协同方法结合了雾化CVD固有的成本优势与增强的晶体学精度，为工业化生产 ε-Ga₂O₃ 量子阱器件及极化工程异质结构提供了可行路径。

        锡辅助低压雾化化学气相沉积（Sn-assisted LP-Mist-CVD）技术在 ε-Ga₂O₃ 外延生长领域实现了突破性进展，通过锡介导成核与低压工艺优化的协同作用，独特地解决了长期存在的界面相抑制和晶体学精度问题。该方法实现了真正的逐层生长，表面原子级平滑（均方根粗糙度 RMS = 1.51 nm），ε相晶体质量高（XRD 半高宽 FWHM = 0.08°），性能超越传统的 Mist-CVD，并可媲美高成本的HVPE，同时兼具成本优势和厚度可控性。通过消除寄生 α-Ga₂O₃ 相并实现前所未有的界面陡度，该方法为先进氧化物电子器件，尤其是极化工程异质结构和高电子迁移率晶体管（HEMT）奠定了变革性平台。该工艺适用于蓝宝石衬底且前体消耗低，不仅重新定义了 ε-Ga₂O₃ 的生长范式，也为要求原子级界面控制的超宽禁带器件的可规模化制备开辟了途径，使其成为面向下一代功率电子和量子电子器件的工业可行方案。

图 1. 低压雾化化学气相沉积（LP-Mist-CVD）系统示意图。

图 2. (a) 三个样品的 XRD 2θ 扫描谱。 (b) 在相同条件下测量的三个样品 ε-Ga₂O₃ (004) 衍射的 XRD 摇摆曲线。 (c) 高晶体质量样品的 XRD ω 扫描，分别针对 ε-Ga₂O₃ 的 (211) 晶面和 α-Al₂O₃ 的 (012) 晶面。

图 3. 高晶体质量样品表面的原子力显微镜（AFM）图像。 (a) 高度回扫描图像。 (b) 沿方向 A 和 B 测量的高度剖面。 (c) 振幅回扫描图像。

图 4. 高晶体质量样品的横截面透射电子显微镜（TEM）分析。 (a) 薄膜整体结构 TEM 图像，标注三个不同区域。 (b) 薄膜/衬底界面区域放大图。 (c) 旋转域区域放大图。 (d) 虚线区域获取的快速傅里叶变换（FFT）图案（区轴 = [010]）。 (e) ε-Ga₂O₃ 薄膜的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF STEM）图像及 (f) 能谱（EDS）元素分布图。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0280118