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【国际论文】日本上智大学：以氧化亚镓和水为前驱体，采用氧化物气相外延法生长 β-Ga₂O₃ 的热力学与实验研究
日期：2026-04-13阅读：53
由日本上智大学的研究团队在学术期刊Japanese Journal of Applied Physics发布了一篇名为Thermodynamic and Experimental Study of β-Ga2O3 Growth by Oxide Vapor-Phase Epitaxy using Ga2O3 and H2O as Precursors（以氧化亚镓和水为前驱体，采用氧化物气相外延法生长 β-Ga2O3 的热力学与实验研究）的文章。
背 景
方铁锰矿型结构的 β-Ga2O3 作为未来高功率电子器件的潜力材料备受关注，因其巴利加优值远大于 GaN、4H-SiC 等其他宽禁带半导体材料。这一优异特性源于其 4.4~4.9 eV 的宽禁带，该特性使其具备约 8 MV/cm 的高介电击穿场强，同时其室温电子迁移率的理论最大值约为 200 cm2/Vs。此外，科研人员已通过浮区法（FZ）、限边喂膜法（EFG）、切克劳斯基法和垂直布里奇曼法（VB等熔体生长技术，制备出大尺寸 β-Ga2O3 单晶衬底。
主要内容
本研究以初步的生长实验为佐证，对以氧化亚镓（Ga2O）和水（H2O）为前驱体、采用氧化物气相外延法（OVPE）生长 β-Ga2O3 的过程开展了热力学分析。通过计算，明确了由生长温度、载气中氢气摩尔分数、输入 Ⅵ/Ⅲ 比以及 Ga2O 输入分压共同决定的实际生长窗口。分析结果表明，要在 1000℃ 以上实现 β-Ga2O3 的稳定生长，需精准调控氢气摩尔分数，以平衡前驱体的生成与热力学驱动的刻蚀效应。本研究还构建了以温度、Ga2O 输入分压和输入 Ⅵ/Ⅲ 比为变量的相图，清晰划分出材料的生长区与刻蚀区。研究在（0001）蓝宝石衬底上完成了 β-Ga2O3 的外延生长，实验所得的生长驱动力与热力学预测结果高度吻合。上述研究结果证实，以 Ga2O 和 H2O 为前驱体的 β-Ga2O3 生长过程可通过热力学原理实现有效调控，这一方法为制备功率器件级漂移层提供了一种无氯、更安全的替代方案。
创新点
●开发了无氯的新型 OVPE 生长体系, 首次以 Ga2O 和 H2O 为双前驱体实现 β-Ga2O3 的 OVPE 生长。
●构建了该无氯体系的完整热力学理论体系, 揭示了 H2 在源区前驱体生成与生长区热力学平衡中的耦合作用。
●实现了热力学理论与实验的精准匹配，验证了体系的可控性，弥补了传统方法在高温生长调控上的不足。
结 论
这种新型氧化物气相外延法具备诸多显著优势，包括提升了操作安全性、从根本上避免了反应器腐蚀问题，且不会产生氯元素掺杂的相关隐患。热力学计算结果与实验数据的高度吻合，证实了以 Ga2O 和 H2O 为前驱体的 β-Ga2O3 生长过程，可依据热力学原理实现精准调控。未来的研究将聚焦于对生长材料的精细化表征与器件制备方向，以期充分发掘该生长技术在 β-Ga2O3 功率器件应用领域的潜力。
图 1(a) 常压、生长温度 1150℃、Ga2O 输入分压为 5.5×10⁻⁴标准大气压且输入 Ⅵ/Ⅲ 比为 4.5 的条件下，β-Ga2O3 表面各气态物质的平衡分压随载气中氢气摩尔分数的变化关系；纯镓金属的蒸气压以虚线绘出。(b) 由 (a) 中数据计算得到的 β-Ga2O3 生长驱动力随氢气摩尔分数的变化关系。
图 2 (a) 常压、生长温度 1150℃、氧化亚镓输入分压为 6.1×10⁻⁴ 标准大气压且氢气摩尔分数 FO=2.7 ×10-3 的条件下，β-Ga2O3 表面各气态物质的平衡分压随输入 Ⅵ/Ⅲ 比的变化关系；纯镓金属的蒸气压亦以虚线绘出。(b) 由 (a) 中数据计算得到的 β-Ga2O3 生长驱动力随输入 Ⅵ/Ⅲ 比的变化关系；同时在 (b) 中以实心圆点绘出了采用传质系数 Kg=3.1 ×103 μm h-1 atm-1，由 β-Ga2O3 实验生长速率所得的数值。
图 3 (a) 常压、氧化亚镓输入分压为 5.5×10⁻⁴标准大气压、输入 Ⅵ/Ⅲ 比为 4.5 且氢气摩尔分数FO =2.7×10-3 的条件下，β-Ga2O3表面各气态物质的平衡分压随生长温度的变化关系；纯镓金属的蒸气压亦以虚线绘出。(b) 由 (a) 中数据计算得到的 β-Ga2O3 生长驱动力随生长温度的变化关系；同时在 (b) 中以实心圆点绘出了采用传质系数 Kg=2.5×103 μm h-1 atm-1，由 β-Ga2O3 实验生长速率所得的数值。
图 4 (a) 常压、氧化亚镓输入分压为5.5×10-4 标准大气压且输入 Ⅵ/Ⅲ 比为 4.5 的条件下，不同氢气摩尔分数下 β-Ga2O3 的生长驱动力随生长温度的变化关系。(b) 常压、氧化亚镓输入分压为 5.5×10-4 标准大气压且氢气摩尔分数 FO =2.7 ×10-3 的条件下，不同输入 Ⅵ/Ⅲ 比下 β-Ga2O3 的生长驱动力随生长温度的变化关系。
图 5 1050 ℃ 和 1150 ℃ 下，以氧化亚镓输入分压与输入 Ⅵ/Ⅲ 比为变量的 β-Ga2O3 生长相图。图中蓝色和红色的颜色深浅，分别表征β-Ga2O3 生长驱动力与刻蚀驱动力的大小
DOI：
doi.orq/10.35848/1347-4065/ae54ed
