【会员论文】Materials Futures丨厦门大学杨伟锋教授团队：成核层键角调制突破氧化镓异质外延晶格失配极限

        Materials Futures《材料展望》是一本由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版的高水平开放获取期刊，创刊于2022年。该刊首个影响因子即达12.0（最新为10.8），位列中科院材料科学1区，专注于能源材料、纳米材料、量子材料等前沿交叉领域。

        氧化镓（Ga₂O₃）因其宽禁带（4.5-4.9 eV）、高击穿电场（8 MV/cm）和高巴利加优值（3000）而成为一种极具前景的高功率电子器件和深紫外光电器件应用半导体材料。然而，同质外延受限于Ga₂O₃体单晶的高成本与极差的热导率，异质外延成为研究热点。蓝宝石衬底因价格低廉、工艺成熟而备受关注，然而，异质外延生长过程中Ga₂O₃与衬底之间固有的晶格失配会引发位错和其他晶体缺陷，极大限制了器件性能和实际应用。传统上引入GaN缓冲层可部分缓解失配（失配度≈4.7%），但残余应变和界面无序与缺陷仍然是关键的挑战。近年来，人们提出利用镓氮氧化物（GaON）进行界面工程，GaON具有与β-Ga₂O₃的结构兼容性，并且能够调控电子性质以缓解应变和改善载流子动力学特性，展现出作为外延β-Ga₂O₃成核层的潜力，但其外延成核的潜在机制、原子尺度的梯度化学结构及其对能带结构和载流子动力学的影响仍不清楚。因此，揭示GaON层的外延成核机制及其对能带和载流子动力学的调控规律，对于实现高性能Ga₂O₃异质外延及光电子器件具有重要的科学意义和应用价值。

        本论文提出一种多层过渡策略，在蓝宝石衬底上引入AlN/GaN缓冲层和梯度GaON成核层，借助双球差校正透射电子显微镜揭示了异质界面处的原子排布，结合电子能量损失谱，研究团队进一步揭示了GaON具有从GaO_0.17N_0.83到GaO_0.04N0.96的梯度组分结构。梯度GaON因与β-Ga₂O₃的GaO₆八面体具有匹配的N-Ga-O键角（90.27°）及显著低于蓝宝石的有效平面能，成为理想的成核层，成功实现高质量β-Ga₂O₃薄膜的外延生长。所制备的深紫外光电器展现出卓越性能：暗电流低至13 pA，光暗电流比达6.29×10⁶，响应度高达3821.6 A/W，探测度为3.3×10¹⁶ Jones，响应时间达30/20 ms（上升/衰减），梯度GaON可以降低带偏，促进电子传输，降低界面复合能。严苛条件下的I-T测试（200°C、20 V偏压，持续10650 s）证实了器件优异的鲁棒性。该工作提出了一种键角适配的成核新思路，为克服异质外延晶格失配限制提供了普适性策略。

        ● 揭示GaON成核层梯度组分及其原子排布。

        ● 计算表明，GaON的c轴会发生显著膨胀，可以缓解界面应变；其N-Ga-O键角与β-Ga₂O₃中GaO₆八面体O-Ga-O键角高度匹配，且有效平面能远低于蓝宝石，使其成为β-Ga₂O₃异质外延的理想形核层。

        ● 引入GaON梯度成核层，β-Ga₂O₃ (-201)面摇摆曲线半峰宽较对照组降低38.5%，螺位错密度降低62%，同时氧空位浓度得到有效抑制。

        ● 制备的光电探测器响应度达3821.6 A/W，比探测率为3.3×10¹⁶ Jones，响应时间达30/20 ms（上升/衰减），是蓝宝石衬底Ga₂O₃光电探测器最高值之一。

        本研究通过引入梯度GaON成核层，成功在蓝宝石衬底上异质外延生长出高质量β-Ga₂O₃薄膜，并系统揭示了梯度GaON的键角匹配机制及其梯度结构对晶体质量和能带工程的协同作用。所制备的日盲紫外光电探测器综合性能优异，其中响应度和响应速度均处于同类器件领先水平。该工作突破了传统晶格匹配的局限，为宽禁带半导体异质外延提供了新思路。

        本研究得到了国家自然科学基金（62171396）、深圳市科技技术项目（JCYJ20240813145617023）、中央高校基础研究基金（20720230040）、福建省闽江学者奖励项目及厦门市双百人才计划的资助。

图1. 氧化镓异质外延层的TEM表征：(a) AlN/GaN缓冲层、GaON层和β-Ga₂O₃薄膜的制备过程；(b) GaN/GaON/β-Ga₂O₃界面的低分辨截面TEM图像；(c) GaN/GaON/β-Ga₂O₃界面的HRTEM图像，叠加了原子模型；(d) GaON与β-Ga₂O₃界面的放大视图，叠加了原子模型；(e) GaN/GaON/β-Ga₂O₃界面选区电子衍射图；(f) GaN/GaON/β-Ga₂O₃界面的高分辨TEM元素分布图。(g,h) β-Ga₂O₃和GaN的原子排列及相应的选区电子衍射图。

图2. 异质外延中GaON成核层的第一性原理计算：(a) 具有梯度结构的5 nm GaON的高分辨TEM图像；(b) GaN和GaO_0.17N_0.83的晶面间距；(c) GaN超胞结构模型（a = b = 6.436 Å，c = 10.483 Å）；(d) 氧掺杂浓度对晶格常数的影响；(e) 氧掺杂浓度对键角的影响；(g) 蓝宝石、GaN以及不同氧浓度GaON（GaO_0.06N_0.94、GaO_0.13N_0.87和GaO_0.19N_0.81）的有效平面能。

图3. 异质外延中无GaON成核层(样品A)和有GaON成核层(样品B)的β-Ga₂O₃薄膜表征：(a,b) SEM图像；(c) XRD θ-2θ扫描曲线；(d) XRD ω扫描摇摆曲线；(e) 蓝宝石(10)和β-Ga₂O₃ (10-12)面的XRD φ扫描；(f) GaN/GaON(10-12)和β-Ga₂O₃ (-401)面的XRD φ扫描；(g, h) XPS O 1s谱；(i) 电子顺磁谱。

图4. 氧化镓日盲探测器工作机制分析：(a) 黑暗和254 nm光照条件下I-V特性曲线；(b, c)不同偏压下的响应光谱；(d) 不同偏压下对应的载流子输运模型；(e) 本工作器件与已报道的蓝宝石衬底β-Ga₂O₃ MSM-PD的响应度(R)与比探测率(D*)对比图；(f) GaN/GaON的N 1s 核能级和价带谱。(g) β-Ga₂O₃的O 1s 核能级和价带谱。(h) GaN/GaON/β-Ga₂O₃异质结构的N 1s和O 1s核能级谱。(i) GaN/GaON/β-Ga₂O₃异质结构的能带图。

图5. 氧化镓日盲探测器的瞬态响应性能表征: (a-c) PD A在10 V偏压、254 nm光照下的测量结果，包括不同光功率密度下的I-T曲线、光电流-功率相关性以及长期（2000 s）I-T曲线; (b-f) PD B在10 V偏压、254 nm光照下的测量结果，包括不同光功率密度下的I-T曲线、光电流-功率相关性以及长期（2000秒）I-T曲线; (g,h)不同偏压下254 nm光照的I-T曲线。(i, j) PD的上升/衰减时间及拟合曲线。

DOI：

10.1088/2752-5724/ae4e4c