【国际论文】日本京都工艺纤维大学、高知工业大学、金泽工业大学、明治大学：具有 GZO 缓冲层的 Si (100) 衬底上多晶κ-Ga₂O₃薄膜

        由日本京都工艺纤维大学、高知工业大学、金泽工业大学、明治大学的研究团队在学术期刊RSC Advances发布了一篇名为Polycrystalline κ-Ga₂O₃ on Si(100) substrates with GZO buffer layers（具有 GZO 缓冲层的 Si (100) 衬底上多晶 κ-Ga₂O₃ 薄膜）的文章。

        κ-Ga₂O₃ 是一种新型压电半导体，在射频器件中具有应用潜力，但硅衬底上异质外延生长因晶格失配与界面氧化问题难度较大。传统外延方法依赖 AlN、Mo 等单晶缓冲层，而面向实用化的压电器件，晶体各向同性对设计灵活性至关重要。本研究首次采用 GZO 缓冲层，在 Si (100) 上实现多晶 κ-Ga₂O₃ 生长，工艺更简单且薄膜具备各向同性，更适合硅基集成。

        κ 相氧化镓（κ-Ga₂O₃）是一种新兴的压电半导体，在射频器件中具有潜在应用。然而，由于晶格失配度大及界面氧化，在硅衬底上异质外延生长 κ-Ga₂O₃ 仍面临挑战。本研究采用雾化化学气相沉积（mist CVD）技术，在 Si (100) 衬底上利用掺镓氧化锌（GZO）缓冲层制备了多晶 κ-Ga₂O₃ 薄膜。通过 X 射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜进行结构表征，结果表明 κ-Ga₂O₃ 薄膜呈现 c 轴取向、面内随机分布的多晶结构，具备对器件应用有利的各向同性特性。在 κ-Ga₂O₃/GZO 界面处发现了 ZnGa₂O₄ 中间层，该层对相稳定起关键作用。研究结果表明，硅衬底上的多晶 κ-Ga₂O₃ 是压电半导体器件的理想候选体系。

        ●首次在 Si (100) 衬底上采用 GZO 多晶缓冲层制备纯相多晶 κ-Ga₂O₃ 薄膜，替代传统 AlN/Mo 单晶缓冲方案。

        ●薄膜呈 c 轴择优取向、面内晶粒随机分布，实现优异各向同性，更利于压电器件设计。

        ●界面原位形成 ZnGa₂O₄ 中间层，有效稳定 κ 相，抑制杂相生成。

        ●采用 mist CVD 常压低温工艺，成本低、与硅基 CMOS 兼容潜力高。

        本研究成功采用雾化化学气相沉积（mist CVD）技术，在 Si (100) 衬底上利用 GZO 缓冲层制备了多晶 κ-Ga₂O₃ 薄膜。c 轴取向的 GZO 缓冲层因具有六方氧原子排列结构，可促进 κ Ga₂O₃ 的形成。硅衬底表面的非晶 SiO₂阻碍了 κ-Ga₂O₃/GZO/Si 体系中外延关系的建立，使 κ Ga₂O₃ 呈多晶生长。与采用 AlN、Mo 等外延缓冲层的以往研究不同，多晶 GZO 缓冲层工艺更简单，且薄膜天然具备各向同性，更适合将基于 κ-Ga₂O₃ 的压电器件与硅技术集成。结构分析表明，κ-Ga₂O₃ 薄膜呈随机晶体取向，固有各向同性对压电器件应用有利。界面处 ZnGa₂O₄ 中间层的形成是稳定 κ 相的关键因素。与具有规则旋转畴的传统外延 κ-Ga₂O₃ 薄膜不同，本研究的多晶薄膜各向同性更完备，且在重要的硅衬底上生长工艺更简化。该结果为基于 κ-Ga₂O₃ 的压电器件与硅技术集成开辟了新路径。通过进一步优化生长条件与缓冲层设计，有望实现多晶 κ-Ga₂O₃ 薄膜的高性能压电应用。

DOI：

doi.org/10.1039/D6RA00464D