【国际论文】CGD丨英国布里斯托大学、剑桥大学团队：基于富铝AlₓGa₁₋ₓN模板的κ-Ga₂O₃的MOCVD生长：相图与微观结构演变

        由英国布里斯托大学、剑桥大学的研究团队在学术期刊 Crystal Growth & Design 发布了一篇名为 MOCVD Growth of κ-Ga₂O₃ on Al-Rich AlₓGa₁₋ₓN Templates: Phase Diagram and Microstructural Evolution（基于富铝 AlₓGa₁₋ₓN 模板的 κ-Ga₂O₃ 的 MOCVD 生长：相图与微观结构演变）的文章。

        κ-Ga₂O₃ 作为具有强自发极化的亚稳态宽禁带材料，可在异质结中实现高迁移率二维电子气，在下一代功率器件中极具应用价值。但其外延生长易形成稳定 β 相，导致极化特性下降；传统蓝宝石衬底易产生旋转畴等缺陷，且 κ 相生长窗口较窄。目前针对富铝 AlₓGa₁₋ₓN 模板上 MOCVD 生长 κ-Ga₂O₃ 的工艺窗口、相竞争规律与超薄层阶段微观结构演变仍缺乏系统研究，生长机理尚未明确。

        正交相 κ 相 Ga₂O₃ 是具有强自发极化的亚稳态铁电多晶型，可通过 κ-Ga₂O₃/AlₓGa₁₋ₓN 异质结构实现极化诱导的高迁移率二维电子气。该团队通过系统调控镓源与氧源流量，绘制了富铝 AlₓGa₁₋ₓN / 蓝宝石模板（x = 0.5、0.75）上 κ-Ga₂O₃ 的 MOCVD 生长窗口，并与 c 面蓝宝石上的共生长薄膜对比。在 Al_0.5Ga_0.5N 上，κ-Ga₂O₃ 可在低生长速率、高 VI/III 比的宽工艺窗口内生长；而蓝宝石衬底仅在高生长速率、低 VI/III 比区域利于 κ 相。XRD 与 TEM 分析表明，Al_0.5Ga_0.5N 上 κ-Ga₂O₃ 生长初期为纯单斜相 β-Ga₂O₃，厚度 20–45 nm 时 κ-Ga₂O₃ 开始形核，100–250 nm 后 κ 相成为唯一生长相，表面为纯 κ 相。在 x = 0.75 的 AlₓGa₁₋ₓN 模板上观察到相似演变规律。

        •首次建立富铝 AlₓGa₁₋ₓN 模板（x = 0.5、0.75）上 κ-Ga₂O₃ 的 MOCVD 生长相图。

        •κ-Ga₂O₃ 在 AlₓGa₁₋ₓN 上的生长窗口远宽于在 c 面蓝宝石上的窗口。

        •揭示从纯 β-Ga₂O₃ 到纯 κ-Ga₂O₃ 的三阶段相演变机制。

        •κ-Ga₂O₃ 在 20–45 nm 处开始形核，100–250 nm 后主导生长。

        •生长机制在 Al_0.5Ga_0.5N 与 Al_0.75Ga_0.25N 模板上均保持一致。

        该团队证实，在富铝 Al_0.5Ga_0.5N 模板上采用 MOCVD 可在宽生长速率与 VI/III 比范围内稳定生长 κ-Ga₂O₃，明显优于仅在高生长速率、低 VI/III 比下利于 κ 相的 c 面蓝宝石。对 Al_0.5Ga_0.5N 上 Ga₂O₃ 薄膜结构演变的分析揭示三个主要阶段：第一阶段始终形成 β-Ga₂O₃ 过渡层；第二阶段在厚度 20–45 nm 处 κ-Ga₂O₃ 开始形核，两相晶粒同步生长；第三阶段在 100–250 nm 处 κ 相晶粒完全合并并覆盖 β 相，仅 κ-Ga₂O₃ 继续生长，最终表面为纯相。该生长模式在富铝 AlₓGa₁₋ₓN 模板上与低铝组分 GaN 上的报道规律基本一致。

图 1. 在 Al_0.5Ga_0.5N 模板上生长的 Ga₂O₃ 薄膜的结构表征（VI/III 比范围 55–270，固定条件：TEGa = 106 μmol/min，T_gr = 500 °C，p_T = 10 Torr）：(a) XRD 2θ-ω 扫描，显示 {-201}β 和 {002}κ 衍射峰；(b) κ 相占比（由 (-402)β 和 (004)κ 峰强度估算）随 VI/III 比的变化；(c) (004)κ 峰的 XRC 半高宽与表面均方根（RMS）粗糙度随 VI/III 比的变化；(d)-(h) VI/III 比分别为 55、75、150、210、270 时，薄膜 2 × 2 μm² 区域的 AFM 扫描图。

图 2. Ga₂O₃ 生长相图：(a) (0001) Al_0.5Ga_0.5N 与 (b) c 面蓝宝石（固定 T_gr = 500 °C，p_T = 10 Torr）。红色区域为动力学受限生长条件，氧化不足导致无法外延；绿色区域为利于 κ-Ga₂O₃ 生长条件，200 nm 厚时 κ 相占比 ≥50%；灰色区域为不利于 κ-Ga₂O₃ 条件。阴影仅为示意，边界为近似值；白色未标注区域为未探索条件。

图 3. 相同生长条件下（TEG = 106 μmol/min，VI/III = 210，T_gr = 500 °C，p_T = 10 Torr），在 Al_0.5Ga_0.5N 模板上生长的 20−1000 nm 厚 Ga₂O₃ 薄膜：(a) XRD 2θ-ω 扫描；(b) κ 相占比；(c−h) AFM 图。

图 4. (a) 在 Al_0.5Ga_0.5N 上生长的 250 nm κ-Ga₂O₃ 薄膜（κ 相占比 KPF ∼86%）的明场 TEM 图，生长条件为：TEG = 106 μmol/min，VI/III = 210，T_gr = 500 °C，p_T = 10 Torr；选区电子衍射（SAED）花样：(b) 图 (a) 中区域 B，显示 κ-Ga₂O₃ 的 <010>/⟨310⟩ 晶带轴（ZA）；(c) 图 (a) 中区域 C，显示 Al_0.5Ga_0.5N 的 <11-20> 晶带轴（ZA）。

图 5. (a) 在 Al_0.5Ga_0.5N 模板上生长的 250 nm κ-Ga₂O₃ 薄膜（κ 相占比 KPF ∼86%）的薄膜 / Al0.5Ga0.5N 界面附近区域的高倍 HR-TEM 图，生长条件为：TEG = 106 μmol/min，VI/III = 210，T_gr = 500 °C，p_T = 10 Torr；黄色虚线为薄膜 / Al_0.5Ga_0.5N 界面，黄色点线为 κ 相与 β 相晶粒的近似边界；快速傅里叶变换（FFT）花样：(b) 区域 B（蓝色虚线框），显示 Al_0.5Ga_0.5N 的 <11-20> 晶带轴衍射花样（DP）；(c) 区域 C（红色虚线框），显示 β-Ga₂O₃ 的 <010> 晶带轴衍射花样（DP）；(d) 区域 D（绿色虚线框），显示 κ-Ga₂O₃ 的 <010>/⟨310⟩ 晶带轴衍射花样（DP）。

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.6c00267