【会员论文】南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授联合内蒙古大学团队：通过原位退火调控 MOCVD 生长 κ-Ga₂O₃ 薄膜的微观结构演化与缺陷态

        氧化镓（Ga₂O₃）是极具应用前景的超宽禁带半导体材料，其禁带宽度为 4.8 eV，击穿场强可达 8 MV/cm，在高功率电子、高频器件与深紫外光电器件领域优势显著。Ga₂O₃ 包含 α、β、γ、δ、κ（ε）五种晶型，不同晶相赋予材料差异化的性能与应用方向。其中正交晶系 κ-Ga₂O₃ 结构各向异性较弱，且不具备反演对称性，因此表现出铁电、压电效应；该材料自发极化强度约 0.23 C/m²，相较 GaN 高出近一个数量级，是制备高电子迁移率晶体管、构建二维电子气体系的优质材料。

        κ-Ga₂O₃ 属于亚稳相，利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术外延生长时，需要依靠动力学限制条件来维持物相稳定。该生长体系通常采用低温、低 Ⅵ/Ⅲ 比例的工艺参数，与热力学稳定相 β-Ga₂O₃ 的生长条件差异较大。受限的生长环境会抑制原子迁移与晶格重组，造成薄膜内部出现严重的结构无序，同时催生大量本征缺陷，其中以氧空位（V_O）最为突出。这类缺陷会破坏晶体完整性，在禁带中引入局域能级，严重阻碍载流子输运，劣化材料光电性能。

        原位退火是改善半导体薄膜晶体质量、消除缺陷的常用手段，已有研究证实退火可优化 β-Ga₂O₃ 的表面状态与光学性能。但目前针对 κ-Ga₂O₃，退火工艺、微观结构演变与缺陷态之间的内在关联仍缺乏系统研究。已有文献表明，温度低于 700 ℃ 时 κ-Ga₂O₃ 可保持纯相，这也为该材料的退火改性研究提供了基础。本文以 MOCVD 制备的 κ-Ga₂O₃ 薄膜为研究对象，开展富氧环境原位退火实验，探究退火对薄膜微观形貌、化学状态及缺陷发光特性的影响，揭示热处理过程中缺陷湮灭与新生的动力学机制。

        正交晶系 κ-Ga₂O₃ 具备较强的自发极化特性，同时结构各向异性较弱，在电子与光电器件领域拥有巨大应用前景。但为稳定该亚稳相所采用的动力学受限生长条件，往往会造成严重的结构无序，并产生大量本征缺陷，其中以氧空位（V_O）为主，进而破坏晶体完整性、劣化载流子输运性能。本文采用富氧原位退火工艺，系统研究了该工艺对金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备的 κ-Ga₂O₃ 薄膜微观结构演变与缺陷动力学的调控作用。研究确定 700 ℃ 为关键热处理温度：在该温度下进行 20 min 的优化退火处理，可显著提升薄膜结构有序性，其 X 射线衍射半高宽降至 0.74°，表面粗糙度低至 2.88 nm。X 射线光电子能谱与光致发光谱测试结果表明，精准的热处理能够促进原子重排、修复氧空位，有效抑制深能级施主-受主对复合行为。与之相反，40 min 的过度退火会引发晶格失氧，造成氧空位再次产生，同时导致薄膜结构性能劣化。该团队研究了缺陷湮灭与缺陷生成之间的竞争机制，为稳定 κ 相、调控 Ga₂O₃ 基器件的光电性能提供了可行的工艺思路。

        ·针对 MOCVD 生长的亚稳相 κ-Ga₂O₃，确定了 700 ℃ 为富氧原位退火的关键工艺温度，明确 20 min 为最优退火时长，大幅提升薄膜结晶质量与表面平整度。

        ·结合 XRD、SEM、AFM、XPS、PL 多种表征手段，定量分析退火对氧空位（V_O）浓度、晶体结构、表面形貌的调控规律。

        ·揭示了退火过程中缺陷湮灭与缺陷生成的竞争机制：适度退火可修复氧空位、抑制深能级施主-受主对复合；过长时间退火会引发晶格失氧，造成氧空位再生、薄膜性能劣化。

        ·阐明了 κ-Ga₂O₃ 缺陷态随退火工艺的演变规律，为亚稳相 Ga₂O₃ 薄膜的物相稳定、光电性能调控及器件应用提供了可行的工艺方案与理论依据。

        本研究制备了 κ-Ga₂O₃ 薄膜并开展原位退火实验，系统探究了退火工艺对薄膜形貌特征及缺陷态的调控规律。结果表明，薄膜在生长过程中极易产生本征缺陷（样品 S1）。在高温富氧环境下，适度退火可有效修复 κ-Ga₂O₃ 内部的缺陷（样品 S2），晶体质量得到改善，X 射线衍射半高宽为 0.74°。扫描电子显微镜与原子力显微镜测试结果显示，薄膜表面变得更加致密平整，表面粗糙度降至 2.88 nm。X 射线光电子能谱分析证实，薄膜氧空位（V_O）浓度降至 7.4 %，光致发光谱也进一步佐证了缺陷浓度的降低。与之相反，过度退火会造成薄膜性能劣化（样品 S3）。结合能带结构分析，本文阐明了 κ-Ga₂O₃ 薄膜缺陷态的来源与演变规律：适度退火后缺陷浓度下降，主要源于氧空位的修复；而过度退火后缺陷浓度回升，则是晶格释氧产生新氧空位所致。上述研究证明，原位退火可有效稳定亚稳态 κ-Ga₂O₃ 物相并调控其缺陷态，为后续优化该材料性能、设计相关器件提供了重要参考。

        本研究得到国家自然科学基金（62305171、U23A20349）、江苏省基础研究计划（BK20253003）、苏州市关键核心技术攻关项目（SYG2024003）、江苏省自然科学基金（BK20230361）、江苏省青年科技人才托举工程（JSTJ-2024-197）、江苏省创新创业团队项目（JSSCTD202351）、江苏省研究生科研与实践创新计划（KYCX25_1140）资助。

图 1. (a) 样品 S1、S2、S3 的 XRD 2θ 扫描图谱；(b) κ-Ga₂O₃(002) 晶面与 Al₂O₃(0001) 晶面的 XRD 峰强比值及 κ-Ga₂O₃(002) 晶面的半高宽；(c) 高斯拟合后 κ-Ga₂O₃ 薄膜 (122) 晶面的 XRD φ 扫描图谱。

图 2. (a)~(c) 样品的平面 SEM 图像；(d)~(f) 三维 AFM 图像，展示样品表面形貌与粗糙度。

图 3. (a) 样品全范围 XPS 图谱；(b) S1、(c) S2、(d) S3 的 O 1s 精细谱图。

图 4. 亚带隙激发条件下 κ-Ga₂O₃ 样品的室温光致发光图谱。

图 5. 不同退火条件下 κ-Ga₂O₃ 薄膜缺陷态演变的能带示意图：(a) 未退火样品 S1；(b) 适度退火样品 S2；(c) 过度退火样品 S3。

DOI ： 

10.1088/1674-1056/ae77d2