斜切衬底上异质外延(??201) β-Ga2O3薄膜的旋转畴与晶体质量改善机理研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Rotational domains and origin of improved crystal quality in heteroepitaxial (?201) β-Ga 2O 3 films grown on vicinal substrates by MOCVD

本文研究了在具有不同斜切角度的蓝宝石衬底上异质外延生长(??201) β-Ga2O3薄膜。研究发现，尽管斜切衬底未能显著抑制面内旋转畴（IRD），但通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，成功改善了薄膜的晶体质量（X射线衍射摇摆曲线半高宽从~2.1°降至~1.1°）、表面粗糙度及电学性能，并有效抑制了(310)取向晶粒的形成，为高性能超宽禁带（UWBG）半导体功率电子器件的发展提供了重要见解。

　　

章节摘要

引言

近来，超宽禁带半导体（UWBG），如金刚石、氮化铝（AlN）、氮化铝镓（AlGaN）以及单斜晶系的氧化镓（β-Ga₂O₃），因其独特的性质和实现各种新颖应用的巨大潜力而吸引了大量的研究关注[1], [2], [3], [4]。与传统半导体相比，这些材料提供了更优越的特性，例如高临界电场（E_cr）、优异的热稳定性、

实验细节

β-Ga₂O₃薄膜是使用一套先前文献中描述过的定制热壁LI-MOCVD系统生长的[28], [29], [32], [45]。在该方法中，粉末状前驱体溶解在合适的溶剂中，经过滤的溶液随后通过电子控制的微阀逐步注入到加热至180°C的蒸发室。前驱体蒸气继续进入沉积室，衬底被放置在陶瓷基座上，并在生长温度下加热。

结构特性

图4(a)展示了所有使用具有不同斜切角度（0°, 4°, 6°, 8°, 和10°）的c面蓝宝石衬底沉积的Ga₂O₃薄膜的广角对称2θ/ω XRD扫描图。仅存在(??2?01)、(??4?02)和(??6?03)衍射峰，证实无论衬底斜切角度如何，生长的都是单相(??2?01) β-Ga₂O₃薄膜。在约37.3°和79.5°处发现的微弱(??310)和(??620)衍射峰（图4(a)）记录了具有(??310)取向的β-Ga₂O₃微晶的存在。图4(b)-(c)显示

结论

我们已经证明，通过液体注入MOCVD技术，成功在斜切角度从0°（同轴）到10°不等的斜切蓝宝石衬底上生长了异质外延硅掺杂(??2?01) β-Ga₂O₃薄膜。观察到更高蓝宝石斜切角度下晶体质量、表面形貌、电学和光学性能得到改善。特别值得注意的是，对于在斜切衬底上生长的薄膜，观察到(??310)取向β-Ga₂O₃畴被强烈抑制（约100倍），并且X射线衍射摇摆曲线半高宽逐渐降低。