【国际论文】APL丨美国犹他大学、莱斯大学：蓝宝石衬底上导电α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃异质结的热稳定性与物相转变研究

        由美国犹他大学、莱斯大学、韩国庆北国立大学联合科研团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Thermal stability and phase transformation of conductive α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ heterostructure on sapphire substrates（蓝宝石衬底上导电 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结的热稳定性与物相转变研究）的文章。

        氧化镓凭借超宽禁带与高击穿电场，成为新一代功率电子、日盲探测器的关键材料。单斜相 β-Ga₂O₃ 热力学稳定性优异，而刚玉结构 α-Ga₂O₃ 禁带宽度高达 5.3 eV，功率器件优值更高。α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 合金可实现大范围带隙可调，与 α-Ga₂O₃ 构成Ⅰ型异质结构，能够实现载流子限制，是高电子迁移率晶体管（HEMT）的理想候选结构。但 α 相氧化镓属于亚稳态晶体，在器件欧姆接触退火、大功率高温工作条件下极易发生 α→β 晶型转变。现有研究仅针对单层 α 系薄膜开展热稳定性测试，尚未围绕氟掺杂导电型 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结进行高温相变探究。实际器件大功率工作时沟道温度可超 330℃，相变带来的多晶化、界面开裂会严重劣化器件性能。基于以上痛点，本论文利用原位高温 XRD、AFM、SEM 等表征手段，系统研究蓝宝石基导电异质结的临界相变温度、晶体缺陷与表面形貌演变规律。

        本文采用原位高温 X 射线衍射、扫描电镜（SEM）以及原子力显微镜（AFM），系统研究蓝宝石衬底上导电型 α-(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结的热稳定性与物相转变规律。采用雾相化学气相沉积法在蓝宝石上制备氟掺杂导电 α-(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结，样品霍尔迁移率可达 28 cm²/(V·s)。该异质结在 550~575℃ 区间内可保持物相稳定，超过该温度区间后开始向 β 相结构转变；相变生成的 β-Ga₂O₃ 以多晶形态为主，无法维持高质量外延单晶结构。倒易空间映射结果表明：全升温区间内刃位错密度始终高于螺位错密度，α-Ga₂O₃ 晶体缺陷主要由面内镶嵌畸变主导。完成 α 向 β 的物相转变后，SEM 与 AFM 表征发现薄膜出现严重破损、表面大幅凸起劣化。

        ·首次系统测试氟掺杂导电 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结热稳定性，确定其 α→β 临界相变温度为 550~575℃。

        ·依托原位高温 XRD 与倒易空间表征，定量获得升温过程螺位错、刃位错密度变化规律，明确 α-Ga₂O₃ 外延层以面内镶嵌缺陷为主。

        ·借助 AFM、SEM 直观证实相变引发薄膜剧烈粗糙化、开裂，相变产物 β-Ga₂O₃ 为多晶结构，失去单晶外延特性。

        ·氟掺杂势垒层实现有效电子供给，异质结霍尔迁移率达 28 cm²/(V·s)，为 α 基氧化镓 HEMT 器件热工况设计提供关键实验依据。

        综上，本文通过原位高温 X 射线衍射与显微表征手段，探究了蓝宝石基导电 α-(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结的热稳定性与物相转变特性。该异质结在 550~575℃ 以下可维持 α 相稳定，高于该温度发生向 β 相的晶型转变；相变后 β-Ga₂O₃ 衍射峰明显宽化，证明产物以多晶为主，不再具备优质外延单晶特性。倒易空间测试进一步说明，α-Ga₂O₃ 薄膜晶体缺陷由面内镶嵌畸变主导。α→β 相变完成后，SEM 与 AFM 观测到薄膜发生破坏性损伤、表面严重隆起。该研究成果可为 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 系列半导体器件的热稳定性设计提供重要参考。

图 1 (a) 蓝宝石衬底上 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结结构示意图；(b) 室温下的 XRD 2θ-ω 扫描图谱。

图 2 (a) 室温至 1000℃ 温度区间内 α-(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 样品变温 2θ-ω XRD 测试谱图；(b) 随温度变化提取的 α-Ga₂O₃ 与 β-Ga₂O₃ 衍射峰位置及强度变化。

图 3 (a) 升温过程中选取不同温度测试得到的 α-(Al₀.₁₆Ga₀.₈₄)₂O₃/Ga₂O₃ 异质结对称与非对称变温倒易空间映射图；(b) 提取得到的 α-Ga₂O₃ 层螺位错与刃位错密度随温度变化曲线。

图 4 高温 XRD 测试前后样品的表面形貌。(a) 制备态样品表面 AFM 图，均方根粗糙度为 2.5 nm；(b) 制备态样品 SEM 图；(c) 高温 XRD 热处理后样品 AFM 图；(d) 高温 XRD 热处理后样品 SEM 图。

DOI：

10.1063/5.0324528