【国际论文】德国IKZ周大顺博士团队：MOVPE法生长于β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃衬底上的β-Ga₂O₃薄膜的应变效应表征：结构、表面形貌及带隙分析

        由德国莱布尼茨晶体生长研究所周大顺博士的研究团队在学术期刊 Journal of Physics D: Applied Physics 发布了一篇名为 Characterization of strain effects on structure, surface morphology, and band gap of MOVPE grown β-Ga₂O₃ thin films on β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ substrates（MOVPE法生长于β-(Al_xGa_1−x)₂O₃衬底上的β-Ga₂O₃薄膜的应变效应表征：结构、表面形貌及带隙分析）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，在功率电子器件和光电器件领域具有巨大应用潜力。虽然同质外延质量最高，但为了实现特定的器件设计，通常需要构建异质结构。在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 合金衬底上生长 β-Ga₂O₃ 薄膜会引入面内压缩应变。这种应变会影响晶体结构、表面质量以及最重要的光学带隙。定量理解应变如何改变 Ga₂O₃ 的物理性质，对于通过“应变工程”精确调控器件性能至关重要。晶格失配在异质外延中起着关键作用。当晶格失配最小的半导体材料进行外延生长时，薄膜会适应底层衬底的平面晶格参数。由于泊松效应，这导致外延层产生垂直应变。业界普遍认为，生长薄膜的带隙受异质外延生长于晶格失配衬底所诱导的晶格改性影响。应变层在受压时带隙增大，受拉时带隙减小。

        通过金属有机气相外延（MOVPE）技术，在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃（x = 0.1, 0.15, 0.2） (100)衬底上，并通过高分辨率 X 射线衍射(HR-XRD)、原子力显微镜(AFM)和光谱椭圆偏振仪(SE)进行了表征。HR-XRD 证实 β-Ga₂O₃ 薄膜呈相干外延生长，其应变状态直接取决于衬底中的铝含量（x）。AFM 显示表面粗糙度约为 0.3 nm，且不受外延应变影响。研究了生长在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃（x = 0.2）上的 β-Ga₂O₃ 的厚度依赖性，发现该薄膜在厚度达到 247 nm 时仍保持完全应变，并保持表面光滑。通过 Tauc-Lorentz 色散模型，在 1.5-6.5 eV 的大能量范围内，利用 SE 测定了在压应力晶格应力下生长的薄膜（83 nm）的带隙能量。基底带隙随铝含量增加呈线性增长，而薄膜带隙在铝含量达 x=0.15 时略有增强，超过该值后在 x=0.2 时未检测到进一步变化。这些结果表明金属有机物气相外延技术有望用于制备带隙可控的 β-Ga₂O₃，并开发异质结器件。

        ● 系统研究了在通过 Czochralski 法生长的高质量体块 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 单晶衬底上的 β-Ga₂O₃ 异质外延。相比于传统的蓝宝石或同质衬底，这种衬底提供了通过改变 Al 组分来精确调控晶格失配和应变的新途径。

        ● 证明了即使在较高的 Al 组分 (x=0.2) 和较大的膜厚下，β-Ga₂O₃ 薄膜仍能保持完全相干生长而不发生弛豫。突破了以往对于临界厚度的预期，表明该材料体系具有优异的应变承受能力。通过光谱椭圆偏振技术，精确测量并验证了压应力会导致 β-Ga₂O₃ 带隙微小增加。实验结果澄清了应变对带隙影响的争议，并与理论计算结果相吻合，为能带工程提供了可靠的实验数据支持。

        ● 实现了极低的表面粗糙度和高质量的晶体结构，证明了该材料体系在制造高性能异质结场效应晶体管方面的巨大潜力。

        研究团队成功实现了在 (100) β-(Al_xGa_1−x)₂O₃（x = 0.1, 0.15, 0.2）衬底上通过金属有机物气相沉积法（MOVPE）生长 β-Ga₂O₃ 薄膜（厚度 83 nm）。实验结果表明薄膜具有相干生长特性，且薄膜内应变随衬底铝含量（x）呈线性增加。所制备薄膜表面平整，均方根粗糙度约为 0.3 nm，且该值与外延应变无关。在 x=0.2 的 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底上，成功生长出厚度达 247 nm 的 β-Ga₂O₃ 厚膜，其表面形态平整。当 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底的带隙随铝含量 (x) 线性增加时，β-Ga₂O₃ 薄膜的带隙在 x 持续增加时，最初略有上升，随后趋于稳定。与 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底相比，β-Ga₂O₃ 薄膜带隙的微小增长有利于维持电子器件异质结的带隙差。

图1. (a) 生长于 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃（x = 0.1、0.15 和 0.2）衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜的高分辨率 X 射线衍射 2θ–ω 扫描图。(b) 衬底与薄膜布拉格反射峰间实验峰间距（Δ2θ）随铝含量 x 的变化关系。

图2. 异质外延 β-Ga₂O₃ 薄膜在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底非对称 (710) 布拉格反射附近的 X 射线倒易空间图谱：(a) x = 0.1；(b) x = 0.15；(c) x = 0.2。

图3. (a) 外延 β-Ga₂O₃ 薄膜（83 nm）在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底 x=0.2 处非对称 (803) 布拉格反射附近的 X 射线倒易空间图， (b) β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底中沿 b 轴和 c 轴的平面应变 (ε22 和 ε33) 及面外应变 (ε11) 随铝含量 (x) 的变化曲线。

图4. 生长在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜表面的原子力显微镜图像：(a) x = 0.1，(b) x = 0.15，(c) x = 0.2。

图5. (a) 不同厚度 β-Ga₂O₃ 薄膜在 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ (x = 0.2) 衬底上生长的 HR-XRD 2θ–ω 扫描图， (b) 基于 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ (x = 0.2) 衬底上 (100) 晶面生长 β-Ga₂O₃ 薄膜 (247 nm) 的原子力显微镜图像。

图6. 外延 β-Ga₂O₃ 薄膜在非对称 (710) 布拉格反射附近的 X 射线倒易空间图谱：(a) 83 nm，(b) 247 nm，以及 (c) 247 nm 非对称 (803) 布拉格反射附近。

图7. (a) β-Ga₂O₃ 薄膜的折射率 (n)，(b) 消光系数 (k)，生长于 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ (x = 0.1, 0.15和0.2) 衬底的 (100) 晶面，(c) β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 衬底的带隙与铝含量 x 的关系。

DOI：

doi.org/10.1088/1361-6463/ae2aec