【会员论文】西安理工大学胡继超教授团队：氧氩比对采用低压化学气相沉积法在4H-SiC(0001)衬底上沉积β-Ga₂O₃薄膜结晶及结构特性的影响

        由西安理工大学、西安电子科技大学宽带隙半导体材料与器件教育部重点实验室、镓创未来半导体科技（晋江）有限公司、深圳市平湖实验室、广东天域半导体股份有限公司等研究团队，在学术期刊 Vacuum 第 253 卷（2026年）115563 上发布了一篇名为 Effect of O₂/Ar ratio on crystallization and structural characteristics of β-Ga₂O₃ films deposited on 4H-SiC(0001) substrates（氧氩比对采用低压化学气相沉积法在 4H-SiC(0001)衬底上沉积 β-Ga₂O₃ 薄膜结晶及结构特性的影响）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为新兴的超宽禁带半导体材料，因其优异的物理特性，在高功率和高频电子器件应用领域展现出巨大潜力。4H-SiC 与 β-Ga₂O₃ 之间存在极小的晶格失配，有利于提高结晶质量和界面稳定性，且可通过异质结构精确调控光谱响应，优化光电器件性能。然而，β-Ga₂O₃/4H-SiC 光电探测器的实际应用面临成本高、工艺复杂以及生长过程中氧空位等固有缺陷等挑战。低压化学气相沉积（LPCVD）因其成本效益高、晶体质量优、可重复性好，成为薄膜制备的高效技术。本研究系统探究了不同 O₂/Ar 流量比对晶体结构、形貌及电学特性的影响，并进一步阐明了该比率参数调控氧空位浓度的机制。

        本研究采用低压化学气相沉积（LPCVD）方法，在不同氧/氩（O₂/Ar）流量比条件下于 4H-SiC 衬底上合成了 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）薄膜。系统探究了该比率对薄膜结晶质量、表面形貌及氧空位浓度的影响。X 射线衍射（XRD）分析确认了 β-Ga₂O₃（-201）晶面与 4H-SiC（0001）晶面之间清晰的外延关系。当 O₂/Ar 流量比为 10:200 时，样品表现出最小的半高宽（FWHM = 1.17°）。表面形貌和均方根（RMS）粗糙度均表现出对 O₂/Ar 流量比的强烈依赖性。X 射线光电子能谱（XPS）结果表明，较高的 O₂/Ar 比可降低氧空位浓度。优化的 β-Ga₂O₃/4H-SiC 光电探测器（O₂/Ar = 10:200）在 - 8 V 偏压、254 nm 紫外光照射下实现了 4.3×10³ 的光暗电流比和 3.57×10¹¹ Jones 的比探测率，上升和衰减响应时间分别为 0.20 s 和 0.43 s。10:200 的比率可获得最优晶体质量；而过量的氧掺入会降低结晶度，从而影响薄膜质量和器件性能。

        首次系统阐明了 LPCVD 工艺中通过调控 O₂/Ar 气体比例来调控表面反应动力学与气相化学平衡，深刻影响着 β-Ga₂O₃ 薄膜的成核行为、生长模式及相稳定性。

        从机理上阐明了过量氧气导致结晶度恶化的气相预反应机制。

        确定了 4H-SiC 衬底上 LPCVD 生长 β-Ga₂O₃ 的最优 O₂/Ar 工艺窗口，实现了高性能 β-Ga₂O₃/4H-SiC 光电探测器的制备。

        本研究建立了氧空位浓度—薄膜质量—器件性能三者之间的内在关联。

        本研究系统研究了在不同氧/氩（O₂/Ar）流量比条件下于 4H-SiC 衬底上沉积的 β-Ga₂O₃ 薄膜的结构和电学特性。研究发现，增加 O₂/Ar 比可降低薄膜中的氧空位（V_o）浓度，从而改善结晶性；然而过量的氧气流量会产生不利影响，如形成非晶相。高质量 β-Ga₂O₃ 薄膜的最佳 O₂/Ar 比为 10:200，此时获得了最窄的 FWHM 和最大的晶粒尺寸，表明具有优异的结晶度。薄膜表现出高度的晶体取向性，揭示了 β-Ga₂O₃（-201）|| 4H-SiC（0001）的清晰面外取向关系。随着 O₂/Ar 比的增加，薄膜中的氧空位减少；但过高的 O₂/Ar 比反而会产生相反效果。通过 O₂/Ar 比调控 V_o 浓度的能力使得高性能 Ga₂O₃ 基器件的制备成为可能。β-Ga₂O₃/4H-SiC 光电探测器在 O₂/Ar 流量比为 10:200、254 nm 光照条件下表现出最优性能，实现了 596.53 mA/W 的响应度、0.20 s 的光响应时间和 3.57×10¹¹ Jones 的比探测率。

        本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62474139、62404180、62574164、62104186），西安市科协青年人才基金（0959202513045），陕西省重点研发计划项目（2023-YBGY-191），陕西省高校科协青年人才基金（20230104），以及西安市科技计划项目（2023JH-GXRC-0122）的支持。