【国际论文】通过金属有机化学气相沉积实现 Ga₂O₃ 异质外延和材料生长的热力学

        由英国布里斯托大学的研究团队在学术期刊ACS Applied Electronic Materials发布了一篇名为Thermodynamics of Ga₂O₃ Heteroepitaxy and Material Growth Via Metal Organic Chemical Vapor Deposition（通过金属有机化学气相沉积实现 Ga₂O₃ 异质外延和材料生长的热力学）的文章。

摘要

        氧化镓（Ga₂O₃）的异质外延正在逐渐流行，以解决p型掺杂缺失、Ga₂O₃外延层的热导率有限以及实现高质量p-n异质结的问题。在使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法在4H-SiC（0001）基板上生长β-Ga₂O₃的过程中，我们观察到当生长温度在650°C到750°C之间时，形成了不完整的、取向错误的颗粒。我们提出了一个Ga₂O₃在外来基板上异质外延的热力学模型，显示在4H-SiC上生长β-Ga₂O₃的能量成本略低于在蓝宝石基板上的成本，表明在4H-SiC上生长β-Ga₂O₃可以使用与蓝宝石类似的高温生长，通常在850°C到950°C的范围内。我们开发了一种两步修正的生长方法，其中在750°C下生长成核层，然后在920°C到950°C的各种温度下生长缓冲层。X射线衍射（XRD）的2θ–ω扫描和透射电子显微镜图像证实了Ga₂O₃的β-多晶型，主要峰在（-201）方向。使用“坡道生长”技术在950°C下生长的缓冲层表现出3nm的均方根表面粗糙度和0.79°的XRD摇摆曲线的半高宽，与最成熟的蓝宝石上β-Ga₂O₃异质外延相媲美，这与热力学模型的预测一致。最后，通过Wulff-Kaishew定理的平衡岛形状，从横截面扫描透射电子显微镜图像中计算得出在4H-SiC上生长的平均Ga₂O₃岛的界面能为0.2 J/m²。

图 1. 根据 Wulff-Kaishew (WK) 结构在外来衬底上形成三维 Ga₂O₃ 岛。蓝色虚线表示 Wulff 界面，红色圆点表示 Wulff 点。

图 2. 在不同条件下生长的 Ga₂O₃ 层的 AFM 表面形貌。(a) Ga₂O₃ 层在整个 750 °C 生长过程中的表面形貌；(b) S1 的表面形貌，显示出完全凝聚和存在方向错误的晶粒；(c) S2 显示出完全凝聚的表面，没有纳米颗粒；(d) S3 显示出光滑的表面，RMS 粗糙度为 3 nm，表明质量有所提高。

原文链接：doi.org/10.1021/acsaelm.4c00535