【会员论文】APL丨南邮唐为华教授、香港科大（广州）陈子强助理教授团队：通过Mist-CVD在蓝宝石衬底上生长Sn合金化ε-Ga₂O₃的晶圆级异质外延

        由南京邮电大学唐为华教授、香港科技大学（广州）陈子强助理教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Wafer-scale heteroepitaxy of Sn-alloyed ε-Ga₂O₃ on sapphire via low-pressure mist-CVD（通过低压雾化化学气相沉积（mist-CVD）在蓝宝石衬底上生长 Sn 合金化 ε-Ga₂O₃ 的晶圆级异质外延）的文章。

        超宽禁带 ε-Ga₂O₃ 具备大压电系数、高介电常数与强自发极化，可与六方 III 族氮化物实现异质集成，是下一代功率电子与射频器件极具潜力的候选材料。但 ε-Ga₂O₃ 属于亚稳相，在蓝宝石衬底上异质外延时，晶体对称性失配会生成多套 120° 旋转畴，畴界带来晶格畸变，严重劣化薄膜结晶质量。同时溶液基 mist-CVD 生长工艺受前驱体雾场、蒸发动力学影响，很难实现晶圆级厚度与结晶度均匀性，高性能薄膜仅局限在小片局部区域。目前缺少能够同时解决晶体畴缺陷与大尺寸非均匀性的可行方案，制约 ε-Ga₂O₃ 材料的工业化应用，亟需开发兼顾高结晶质量、晶圆级均匀性的外延制备技术。

        亚稳态 ε-Ga₂O₃ 在蓝宝石上的工业化应用目前受本征晶体学失配，以及溶液基生长技术难以实现宏观均匀性两大因素阻碍。本研究采用可规模化的低压雾化化学气相沉积系统，提出一种 Sn 介导的晶格工程方案来解决上述难题。Sn 除作为掺杂剂的常规作用之外，高浓度 Sn 合金化可有效调控阳离子亚晶格，促使 Pna2₁ 旋转畴内部发生随机化，降低正交晶系框架整体对称性。该对称性调控显著缓解薄膜与衬底之间的晶格失配，将 (004) 面 X 射线摇摆曲线半高宽降至 0.045°（162 角秒）。透射电子显微镜表征揭示快速晶格恢复机制：界面处初始无序结构可在数纳米范围内被有效抑制。此外，该团队实现高度均一的晶圆级生长，对于厚度约～60 nm 的外延薄膜，2 英寸整片晶圆厚度偏差仅约～2 nm。本研究证明 Sn 合金化 ε-Ga₂O₃ 是通用性强、高保真度的模板材料，为下一代功率电子器件规模化制备提供简化的单源工艺路线。

        ①提出基于低压 mist-CVD 的 Sn 介导晶格工程策略，调控阳离子亚晶格，降低 ε-Ga₂O₃ 正交相整体对称性。

        ②高浓度 Sn 合金化实现旋转畴内部阳离子排布随机化，大幅提升结晶质量，(004) 摇摆曲线半高宽降至 0.045°（162 角秒）。

        ③揭示自修复晶格恢复机制：界面无序区域在蓝宝石衬底上方数纳米范围内被有效抑制。

        ④实现 2 英寸晶圆级 ε-Ga₂O₃ 外延，整片厚度偏差仅 2 nm，为功率器件制备提供高质量模板。

        综上，本研究成功攻克亚稳态 ε-Ga₂O₃ 在蓝宝石上异质外延中长期存在的晶体学与可扩展性瓶颈。借助可规模化低压 mist-CVD 系统，采用单元素 Sn 合金化策略，在 2 英寸衬底上制备得到高质量、晶圆级外延薄膜。研究表明高浓度 Sn 掺杂会扰动正交 Pna2₁ 相的阳离子有序排布，引发结构对称性降低并使旋转畴内部发生随机化，实现创纪录的低 (004) 摇摆曲线半高宽 0.045°（162 角秒）。微观表征进一步证实自修复生长机制：初始界面无序区在厚度约 5 nm 的薄过渡层内被大幅抑制，后续演变为高质量外延层。最重要的是，2 英寸整片晶圆均可均匀保持该高结晶质量。厚度约 60 nm 的缓冲层具备稳定宏观均匀性，整片衬底厚度波动仅约 2 nm。本工作证明 Sn 合金化 ε-Ga₂O₃ 是性能可靠的低成本缓冲层平台。该策略无需复杂异质缓冲层，为高性能 Ga₂O₃ 功率电子器件的简化制造铺平道路。

        本研究得到香港科技大学（广州）C. K. Tan 启动基金、广州市科技计划项目（编号 2023A03J0003、2023A03J0013、2023A04J0310、2023A03J0152）、广东省教育厅（编号 2024ZDZX1005）、国家外国专家局（编号 Y20240005）、国家人才计划配套经费（CZ118SC24007）、国家重大人才项目（CZ118SC25005）、海外优秀青年科学基金（RK118QN24006）资助。本研究同时得到香港科技大学（广州）材料表征与制备平台（MCPF）以及绿色材料实验室的支持。