【国际论文】德国莱布尼茨表面工程研究所：关于在c面蓝宝石上生长的异质外延Ga₂O₃薄膜XRD摇摆曲线解释的研究

        由德国莱布尼茨表面工程研究所（IOM）的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为On the interpretation of the XRD rocking curves of heteroepitaxial Ga₂O₃ thin films grown on c-plane sapphire（关于在 c 面蓝宝石上生长的异质外延 Ga₂O₃ 薄膜 XRD 摇摆曲线解释的研究）的文章。

        作为超宽禁带半导体，其禁带宽度高达 4.5–5.3 eV，理论击穿场强达 8 MV/cm，且具有极高的耐辐射性 。这使其在功率电子、深紫外探测及恶劣空间环境应用中极具吸引力。虽然同质外延质量最高，但单晶衬底昂贵且尺寸受限。C 面蓝宝石（Al₂O₃）因其成本低、易获得，成为目前最通用的异质外延衬底，其上生长的通常是单斜结构的 β-Ga₂O₃ 通常被用作评价薄膜结晶质量的标准手段。研究发现，在蓝宝石上生长的薄膜常出现由窄峰和宽峰组成的双组分摇摆曲线。过去有些研究将窄峰解释为薄膜具有极高的结晶质量，或者将其归因于界面处存在的极薄 α-Ga₂O₃ 层的贡献。如果解释错误，将直接导致对材料生长工艺优化方向的误判。

        本文探讨了通过离子束溅射沉积和脉冲激光沉积在 c 面蓝宝石衬底上异质外延生长的 Ga₂O₃ 薄膜的平面外 X 射线衍射摇摆曲线（XRD RC）的双组分结构。研究了薄膜厚度、仪器分辨率及沉积方法对摇摆曲线结构的影响，并探讨了窄峰成分的成因。结果表明，对于生长在 c 面 Al₂O₃ 衬底上的 Ga₂O₃ 薄膜，摇摆曲线的窄峰并非高结晶质量的标志，而是部分取向良好的 β-Ga₂O₃ 域产生相干散射效应的结果。研究发现，窄峰强度随 X 射线衍射反射阶次变化的现象与反相域的存在相关，而非 α-Ga₂O₃ 薄界面层的贡献所致。

        本研究表明，c 面蓝宝石衬底上 Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射摇摆曲线中，具有窄而强的中部峰值的双组分结构，并不意味着整个薄膜具有高结晶质量。窄峰的起源是部分高度取向的 β-Ga₂O₃ 域产生的相干散射。窄摇摆曲线组分也受到仪器分辨率的限制。这种双组分结构并非 IBSD 生长薄膜特有，本研究同样在 PLD 生长 Ga₂O₃ 薄膜中观测到。此外，窄峰强度随 XRD 反射阶次变化的规律（奇数阶强度弱，偶数阶强度强）与反相域的存在相关，而非 α-Ga₂O₃ 层的影响所致。展望未来，对于异质外延生长的镶嵌薄膜（包括其他材料/衬底体系），此类含窄峰成分的摇摆曲线均需谨慎解读，不应将其视为薄膜整体晶体质量优异的标志。

图1. 垂直晶面蓝宝石衬底上 IBSD 法生长（a,b）与 PLD 法生长（b,c）的 Ga₂O₃ 薄膜 XRD 扫描图。（a）厚度 56 nm 的 IBSD 法生长薄膜的平面外 2θ-ω 扫描图。(b) 厚度分别为 56、65 和 80 nm 的 IBSD 生长薄膜的 β(-201) 和 β(-402) 反射双组分扫描图。(c) 厚度为 28 nm 的 PLD 生长薄膜的平面外 2θ-ω 扫描图。(d) 厚度为 40 nm 和 28 nm 的 PLD 生长薄膜的扫描图。

图2. 基于仪器分辨率的 IBSD 生长 56 nm 厚薄膜 β(-402) 反射的双组分 ω 扫描曲线。仪器分辨率由接收光学配置体现：接收狭缝 (RS) 为 0.1 mm、1.0 mm 或 Ge(220) 分析器晶体。窄组分对应的半高全宽 (FWHM) 值以方括号标注。曲线均归一化至宽组分的最大强度值。

图3. 用于解析 2 nm 和 22 nm 厚 IBSD 生长薄膜中 α-Ga₂O₃ 贡献的 XRD 扫描图。(a) 22 nm 厚薄膜的 β(-201)、β(-402)、β(-603) 和 β(-804) 反射 ω 扫描图。(b) β(-402) 反射峰附近 ω 扫描图，以最大强度归一化。(c) 面外 2θ-ω 扫描图。虚线标记弱 α-Ga₂O₃(00.6) 反射峰。(d) β-Ga₂O₃(020) 与 α-Ga₂O₃(30.0) 反射峰附近的面内扫描图。

图4. 针对 IBSD 法生长（a）22 nm 和（b）2 nm 厚 Ga₂O₃ 薄膜，在 c 面 α-Al₂O₃ 对称（00.6）反射面周围的 RSM 扫描图。虚线标记了沿 q_⊥ 和 q_|| 方向的截面轮廓位置。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0301746