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【会员论文】JAC | 西电郝跃院士、张进成教授、张春福教授等人团队利用Mist-CVD实现高质量NiO/β-Ga₂O₃异质外延，揭示衬底晶向调控外延畴形成机制
日期：2026-07-21阅读：109
由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、张春福教授等人的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Substrate Orientation-Dependent Domain Formation in Epitaxial NiO/β-Ga₂O₃ Heterostructures via Mist-CVD（通过 Mist-CVD 法在 NiO/β-Ga₂O₃ 外延异质结构中形成与衬底取向相关的域）的文章。
背 景
氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，具备极高巴利优值与 8 MV/cm 的理论击穿场强，是下一代高效功率变换器的核心候选材料。但该材料天然仅存在 n 型导电特性，无法制备高性能同质 pn 结与双极型器件，极大限制了其功率器件性能上限。
行业主流解决方案是将 β-Ga₂O₃ 与 p 型氧化物构建异质结，其中 p 型氧化镍（NiO）因带阶匹配、制备兼容性强成为最优体系。自 2016 年 NiO/β-Ga₂O₃ 异质二极管问世以来，该结构已实现千伏级击穿电压、极低比导通电阻，性能可媲美甚至超越 SiC、GaN 功率器件。现有研究多通过 ALD、PLD、MBE 等真空高能沉积工艺结合退火调控 NiO 非化学计量比，优化器件漏电与耐压。
但现有体系仍存在三大核心瓶颈：
1.多晶 NiO 薄膜大量晶界、氧空位缺陷形成漏电通道，恶化载流输运与器件可靠性；
2.即便外延 NiO 薄膜，面内旋转畴与畴界会加剧高场漏电流；
3.热/电应力下界面元素互扩散生成 NiGa₂O₄ 中间相，破坏界面能带对齐，进一步劣化耐压特性。
现有沉积工艺多为高损伤真空工艺，难以实现低缺陷、无互扩散的高质量单晶外延 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结。雾相化学气相沉积（Mist-CVD）为常压低损伤生长手段，可精准调控薄膜化学计量比，目前缺少衬底晶向对 NiO 外延畴结构、界面质量、器件稳定性的系统性研究，本工作针对该空白开展探究。
主要内容
氧化物异质外延中的界面构型，对宽禁带异质结构的结构完整性与器件可靠性能起到决定性作用。本文采用雾相化学气相沉积（Mist-CVD）技术，在 β-Ga₂O₃ 衬底上外延生长高质量 NiO 薄膜，并探究衬底晶向对薄膜外延畴构型的调控规律；不同晶向衬底上的 NiO 薄膜呈现出截然不同的外延畴结构。结合实验表征与密度泛函理论（DFT）计算分析可知，表面能、晶格失配度与晶体对称性三者协同作用，共同决定不同衬底晶向下薄膜的外延生长模式与晶体质量。得益于高质量外延界面，NiO 薄膜具备优异的环境稳定性，在空气中暴露 30 天后仍可维持初始电流的 94%。作为功能器件验证，NiO/(001) β-Ga₂O₃ p-n 二极管在 - 100 V 反向偏压下漏电流密度低至 2.08 ×10⁻⁸ A・cm⁻²，击穿电压高达 885 V，充分证明外延界面质量对器件性能的关键影响。本研究揭示了衬底晶向调控氧化物异质外延的内在机理，为构筑高稳定宽禁带氧化物异质结构提供了可行的材料制备方案。
创新点
①采用无真空、低损伤 Mist-CVD 技术，在不同晶向 β-Ga₂O₃ 衬底上实现高质量单晶 NiO 薄膜外延生长，首次系统阐明衬底晶向调控 NiO 外延畴结构的内在规律；
②结合 XRD 极图、TEM 应变表征与 DFT 理论计算，揭示表面能、晶格失配、晶体对称性三者协同作用共同决定 NiO 外延模式与晶体质量；
③Mist-CVD 制备的单晶 NiO 薄膜具备优异环境稳定性，相较于溅射多晶 NiO 漏电衰减幅度大幅降低；基于 (001) β-Ga₂O₃ 构筑的垂直 pn 异质二极管实现超低反向漏电流与 885 V 高击穿电压，功率优值达 0.308 GW/cm²；
④提出晶向调控氧化物异质外延的通用策略，为其他功能氧化物宽禁带异质结的可控制备提供新思路。
结 论
该团队利用雾相化学气相沉积（Mist-CVD）技术，在 β-Ga₂O₃ 衬底上成功外延制备出高质量单晶 NiO 薄膜。在所有制备的薄膜样品中，生长于 (-201) 晶向 β-Ga₂O₃ 衬底上的 (111) 取向 NiO 薄膜晶体质量最优，其摇摆曲线半高宽仅为 0.031°。结合系统的结构表征与密度泛函理论计算结果证实，表面能、晶格失配度与晶体对称性三者的协同作用，是调控不同晶向 β-Ga₂O₃ 衬底上 NiO 薄膜外延生长模式与晶体质量的内在核心因素。得益于高质量外延结构，NiO 薄膜具备优异的环境稳定性，基于该薄膜制备的圆形传输线模型（CTLM）器件在严苛环境下仍可保持稳定电学性能。此外，采用该薄膜制备的 NiO/(001) β-Ga₂O₃ p-n 异质二极管兼具高击穿电压与低漏电流特性，充分证明其在电力电子器件领域的应用潜力。本研究不仅验证了雾相化学气相沉积技术制备高性能单晶氧化物薄膜的突出能力，同时证实该工艺与现有器件制备流程具备良好兼容性，还为其他功能氧化物薄膜的外延生长提供了一套通用调控方案。
项目支持
本研究得到国家自然科学基金（编号：62274132）、国家重点研发计划（编号：2022YFB3605402）、西安电子科技大学创新基金（YJSJ25013）、教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM406）资助。
图 1 (a) 雾相化学气相沉积生长过程示意图；(b) NiO/(100) Ga₂O₃、(c) NiO/(010) Ga₂O₃、(d) NiO/(001) Ga₂O₃、(e) NiO/(-201) Ga₂O₃ 薄膜的 X 射线衍射图谱；(f) (100)、(g) (010)、(h) (001)、(-201) 晶向 Ga₂O₃ 衬底上 NiO 薄膜的摇摆曲线半高宽（插图：对应 NiO 晶体取向结构示意图）
图 2 (a) (100) NiO/(100) Ga₂O₃、(b) (110) NiO/(010) Ga₂O₃、(c) (111) NiO/(-201) Ga₂O₃、(d) (331) NiO/(001) Ga₂O₃ 异质结构截面透射电镜图（插图：右上角为 NiO 层电子衍射图，右下角为 Ga₂O₃ 层电子衍射图）；(e) (331) NiO/(001) Ga₂O₃ 大范围透射电镜图；(f) NiO 薄膜表面与界面处应变场分布，左列为面内应变，右列为面外应变；(g) {100} 与 (331) 取向 NiO 晶格示意图；(h) (001) Ga₂O₃ 衬底上 NiO 薄膜的 φ 扫描曲线（NiO (220) 衍射峰）；(i) (001) Ga₂O₃ 衬底上 NiO 薄膜外延生长示意图
图 3 (a)~(d) (100)、(110)、(331)、(111) 取向 NiO 薄膜 (200) 晶面 X 射线极图；(e)~(h) NiO 薄膜原子力显微镜形貌图；(i) Ga₂O₃ 与 NiO 之间晶格失配计算结果及不同取向 NiO 表面能示意图
图 4 雾相化学气相沉积制备 NiO 薄膜优异的电学稳定性；(a) NiO 薄膜初始、(b) 老化 30 天后的电流-电压曲线（插图：圆形传输线模型器件结构示意图）；(c) 雾相沉积与磁控溅射制备、不同晶向 Ga₂O₃ 衬底 NiO 圆形传输线器件老化前后 5 V 偏置下电流统计对比（环境湿度 50%、温度 27℃）；(d) 雾相沉积与溅射工艺制备 NiO/(001) Ga₂O₃ 异质结电流密度-电压曲线；(e) 两种工艺制备 NiO/(001) Ga₂O₃ 异质结开启电压统计结果
DOI ：
10.1016/j.jallcom.2026.189821
