【国际论文】美国威斯康星麦迪逊大学、马萨诸塞大学洛厄尔分校、新墨西哥大学：通过溅射法在蓝宝石上制备用于外延生长的单晶高品质β-Ga₂O₃伪衬底

        由美国威斯康星麦迪逊大学、马萨诸塞大学洛厄尔分校、新墨西哥大学、Agnitron 科技公司的研究团队在学术期刊 ACS Applied Engineering Materials 发布了一篇名为 Single-Crystalline High-Quality β-Ga₂O₃ Pseudosubstrate on Sapphire through Sputtering for Epitaxial Deposition（通过溅射法在蓝宝石上制备用于外延生长的单晶高品质 β-Ga₂O₃ 伪衬底）的文章。

        β-Ga₂O₃ 拥有约 4.8 eV 的超宽禁带宽度与极高理论击穿场强，凭借优异光电特性成为新一代高压功率器件、日盲紫外光电探测器的优选核心材料，在智能电网、航空航天探测、特种电子装备等关键领域具备巨大应用潜力与产业化价值。现阶段熔融法制备本体 β-Ga₂O₃ 单晶成本高昂，4 英寸及以上大尺寸商用晶圆仍处于研发阶段，原料成本与量产难度制约器件规模化落地，蓝宝石等异质衬底外延成为低成本制备氧化镓薄膜的主流技术路线。但采用 MOCVD、MBE 工艺直接在蓝宝石上外延生长时，晶格失配问题突出，薄膜极易出现多晶杂相、高密度位错与粗糙表面，大幅恶化载流子迁移等关键电学参数；射频溅射工艺具备大面积均匀镀膜、量产成本低廉的优势，可适配工业化流水线生产，但常规溅射沉积的氧化镓多为非晶态，无法直接作为 MOCVD、LPCVD 高温外延的种子衬底，业内缺少依托溅射 + 退火工艺制备单晶伪衬底的成熟方案，如何兼顾薄膜结晶质量与量产经济性，是当前 β-Ga₂O₃ 异质外延领域亟待填补的研究空白。β-Ga₂O₃ 拥有约 4.8 eV 的超宽禁带宽度与极高理论击穿场强，凭借优异光电特性成为新一代高压功率器件、日盲紫外光电探测器的优选核心材料，在智能电网、航空航天探测、特种电子装备等关键领域具备巨大应用潜力与产业化价值。现阶段熔融法制备本体 β-Ga₂O₃ 单晶成本高昂，4 英寸及以上大尺寸商用晶圆仍处于研发阶段，原料成本与量产难度制约器件规模化落地，蓝宝石等异质衬底外延成为低成本制备氧化镓薄膜的主流技术路线。但采用 MOCVD、MBE 工艺直接在蓝宝石上外延生长时，晶格失配问题突出，薄膜极易出现多晶杂相、高密度位错与粗糙表面，大幅恶化载流子迁移等关键电学参数；射频溅射工艺具备大面积均匀镀膜、量产成本低廉的优势，可适配工业化流水线生产，但常规溅射沉积的氧化镓多为非晶态，无法直接作为 MOCVD、LPCVD 高温外延的种子衬底，业内缺少依托溅射 + 退火工艺制备单晶伪衬底的成熟方案，如何兼顾薄膜结晶质量与量产经济性，是当前 β-Ga₂O₃ 异质外延领域亟待填补的研究空白。

        该团队采用射频溅射搭配高温后退火的固相外延工艺，在蓝宝石衬底制备高品质 β-Ga₂O₃ 单晶伪衬底，可作为后续 MOCVD、LPCVD 外延缓冲层的生长基底。该 SPE 工艺制备薄膜粗糙度低于 0.5 nm，仅出现 β-Ga₂O₃  (-201)、(-402)、(-603) 特征尖锐单晶衍射峰；在该伪衬底上 LPCVD 外延的 n 型 Ga₂O₃ 呈现台阶式生长特征，载流子浓度 1.3 ×10¹⁷ cm⁻³ 条件下迁移率可达 45 cm²/V・s，验证该固相外延伪衬底方案适用于异质衬底氧化镓规模化制备。

        •射频溅射搭配高温退火，在蓝宝石基底制备固相外延单晶 β-Ga₂O₃ 伪衬底。

        •制备得到的 SPE 伪衬底表面粗糙度低于 0.5 nm，薄膜为纯 β 晶单相结构。

        •该伪衬底能够有效抑制后续 MOCVD、LPCVD 外延过程中杂晶生成。

        •在该伪衬底上生长的 LPCVD n 型 Ga₂O₃，载流子浓度 1.3×10¹⁷ cm⁻³ 时迁移率可达 45 cm²/V・s。

        该团队在 c 面与偏切两种蓝宝石衬底上完成了固相外延单晶 β-Ga₂O₃ 薄膜制备工作，所得 SPE 氧化镓薄膜粗糙度低于 0.5 nm，仅出现 β-Ga₂O₃  (-201)、(-402)、(-603) 特征尖锐衍射峰。相较于直接在裸蓝宝石衬底外延的对照样品，在 SPE 伪衬底上采用 MOCVD、LPCVD 制备的 β-Ga₂O₃ 薄膜杂衍射峰数量明显减少；依托该基底生长的 LPCVD n 型氧化镓呈现台阶生长模式，具备优异的载流子浓度与迁移率电学参数。

        该研究融合物理溅射与化学气相沉积两类工艺，兼顾溅射工艺大面积量产、成膜平整的优势以及 CVD 组分精准可控的特点，最终制备出表面平整、结晶完整性优异、电学性能提升的单晶 β-Ga₂O₃ 薄膜，这套复合制备方案能够为 β-Ga₂O₃ 材料基础研究与器件实用化研发提供可靠的技术发展路径。

图 1. 两步生长方案示意图：(i) 固相外延在蓝宝石上制备结晶态 β-Ga₂O₃，(ii) 采用 MOCVD 或 LPCVD 沉积 β-Ga₂O₃ 缓冲层。

图 2. (a) 1×1 μm² 扫描范围下平整蓝宝石上 Ga₂O₃ 薄膜 AFM 图；(b) 5×5 μm² 扫描平整蓝宝石 AFM 图；(d) 6° 偏切蓝宝石 1×1 μm² AFM；(e) 6° 偏切蓝宝石 5×5 μm² AFM；(c) c 面蓝宝石上 SPE-Ga₂O₃ XRD；(f) 偏切蓝宝石上 SPE-Ga₂O₃ XRD。

图 3. 蓝宝石基底 SPE-Ga₂O₃ 在 β-Ga₂O₃ (-401) 处的离轴 φ 扫描 XRD 图谱。

图 4. 不同 VI/III 配比 (a) 1000、(b) 1500、(c) 3000 条件下 MOCVD 生长 Ga₂O₃ 的 AFM 测试结果。

图 5. SPE 衬底与裸蓝宝石上，不同 VI/III 配比 (a) 1000、(b) 1500、(c) 3000 的 MOCVD-Ga₂O₃ XRD 图谱（强度偏移以区分杂峰）。

DOI：

doi.org/10.1021/acsaenm.6c00439