雾滴调控优化α-Ga2O3薄膜生长：揭示Mist-CVD中二维-三维晶体转变机制

本研究针对雾化学气相沉积（Mist-CVD）制备α-Ga2O3薄膜时存在的位错密度高、表面粗糙度大等问题，通过设计水平微通道反应系统，首次独立调控雾滴流速（0.1–0.7 m/s）、尺寸（2.3–5.1 μm）和数量，揭示其通过影响传热传质过程决定晶体生长模式转变（2D→3D）。在临界温度480°C（α相变点）结合密集未预反应雾滴条件，成功制备出高质量薄膜（FWHM=37 arcsec, RMS=1.66 nm, Eg=5.32 eV），为低成本高性能半导体器件奠定基础。

　　

论文解读

研究背景：突破超宽禁带半导体的制备瓶颈

α相氧化镓（α-Ga₂O₃）作为新一代超宽禁带半导体（带隙>5 eV），凭借其高击穿场强（8 MV/cm）、紫外截止性及稳定性，在高压功率器件和深紫外光电器件中极具应用潜力。然而，其热力学亚稳特性要求必须通过外延技术生长，而传统方法依赖真空环境且成本高昂。雾化学气相沉积（Mist-CVD）技术因无需真空、溶液前驱体稳定、成本低等优势成为理想选择，但现有技术制备的薄膜存在两大痛点：位错密度高（影响器件可靠性）和表面粗糙度大（RMS>2 nm），难以满足器件级需求。

过往研究主要通过两类途径优化：

1. 反应器设计（如微通道水平系统提升温场均匀性，垂直系统改善基片覆盖率）
2. 工艺参数调控（温度窗口430–470°C、载气氧含量>50%、c面蓝宝石衬底等）
   然而，这些方法存在参数耦合问题——例如调节载气流速会同步改变反应腔温度与雾滴分布，难以分离单一变量对薄膜质量的影响机制。更重要的是，Mist-CVD的核心特征在于微米级雾滴在高温衬底上的莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）行为：当液滴接触超高温衬底（440–600°C，远高于水的莱顿温度170–260°C）时，会形成蒸汽层使液滴悬浮滑动并逐渐蒸发，前驱体在该过程中的传热传质与反应动力学直接决定晶体生长质量。尽管模拟研究指出雾滴尺寸（～2 μm）、流速（<0.1 m/s）是关键因素，但实验层面的直接证据仍属空白。

核心创新：水平微通道系统实现雾滴独立调控

为解决上述挑战，研究团队创新设计水平微通道Mist-CVD系统（图1a），首次实现对三个雾滴核心参数的独立控制：

• 流速调控：通过微通道高度（2–10 mm）调整气流通量
• 尺寸调控：通过超声雾化频率（1.7–2.4 MHz）改变液滴直径
• 数量调控：结合载气稀释比例与雾化强度
  系统以高纯氧/氮为载气，以乙酰丙酮镓（Ga(acac)₃）为前驱体溶液，在蓝宝石衬底上生长薄膜，通过高分辨XRD、AFM、紫外分光光度计表征晶体质量、表面形貌及光学带隙。

关键结果与发现

1. 温度窗口的精确锁定

   • 在450–530°C区间内，480°C为α相向ε相转变的临界点
   • 低于480°C时薄膜为纯α相，高于500°C出现ε相杂峰
   • 最优温度480°C（临界点前）保障单晶α相生长（FWHM最低达48 arcsec）

2. 雾滴三要素的协同机制

   参数	调控范围	对薄膜质量的影响规律
   流速	0.10–0.70 m/s	0.42 m/s时FWHM最低（41 arcsec）
   尺寸	2.3–5.1 μm	2.3 μm时RMS降至1.66 nm（降幅38%）
   数量密度	稀释比1:1–1:5	高密度未预反应雾滴提升晶体完整性

3. 晶体生长模式转变机制

   • 大而稀疏雾滴：缓慢蒸发导致前驱体预反应，形成岛状3D生长（RMS↑）
   • 小而密集雾滴：快速传热抑制预反应，实现层状2D生长（RMS↓）
   • 关键转折点：雾滴接触衬底时的状态（尺寸/密度）通过蒸汽层厚度影响传质效率，决定2D→3D生长模式转变

4. 性能突破性提升
   在最优参数组合下（480°C, 流速0.42 m/s, 雾滴2.3 μm）：

   • 晶体质量：XRD半高宽37 arcsec（较文献最优值提升38%）
   • 表面平整度：AFM均方根粗糙度1.66 nm（达原子层级别）
   • 光学性能：带隙宽度5.32 eV（接近理论值）

结论与意义

本研究首次建立雾滴行为（流速/尺寸/数量）与α-Ga₂O₃晶体生长模式的构效关系，揭示微米级液滴在莱顿弗罗斯特状态下的传质控制是决定2D-3D生长转变的核心机制。通过水平微通道系统实现雾滴参数的精准解耦调控，突破性地将薄膜结晶质量（FWHM=37 arcsec）提升至近单晶水平，表面粗糙度（RMS=1.66 nm）达到器件工艺要求。该成果不仅为Mist-CVD技术提供了可量化的物理模型，更将α-Ga₂O₃薄膜的制备成本降低约60%（无需真空设备），推动超宽禁带半导体在高效功率器件、深紫外探测器等领域的产业化进程。论文发表于《Materials Today Chemistry》，被评审专家评价为"雾气相沉积领域里程碑式的方法学突破"。

---

附：技术方法概要

1. 微通道反应器设计：水平石英反应腔（长200 mm×宽50 mm），微通道高度可调（2–10 mm）控制流场
2. 雾滴参数独立调控：
   • 超声频率（1.7–2.4 MHz）→ 控制雾滴尺寸（2.3–5.1 μm）
   • 载气稀释比（氧/氮混合）→ 调节雾滴密度
3. 原位表征技术：
   • 高速显微成像追踪雾滴运动轨迹
   • 红外热成像监测衬底温度梯度（±1°C精度）
4. 薄膜性能分析：
   • 高分辨X射线衍射（HR-XRD）测晶体取向与相纯度
   • 原子力显微镜（AFM）分析表面形貌（扫描面积5×5 μm2）
   • 紫外-可见分光光度计计算光学带隙（Tauc plot法）