金属有机化学气相沉积法制备单相κ-Ga2 O3 /III-V族半导体异质结及其界面调控研究

本研究首次通过金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在GaAs和Bx Ga(1-x) As模板上成功生长单相正交晶系κ-Ga2 O3 薄膜，结合XRD、SEM、TEM等表征手段揭示了多晶成核层与柱状生长机制，发现硼扩散形成的非晶BGaO界面层可有效解耦晶格失配，为开发新型深紫外光电器件和功率电子器件提供了材料基础。

　　

在深紫外光电子学和功率电子器件领域，宽禁带半导体材料因其优异的物理特性备受关注。其中氧化镓(Ga₂
O₃
)作为新兴功能材料，已知存在α、β、γ、δ和κ五种晶型。虽然热力学稳定的β相研究最为广泛，但其各向异性特性和易解理缺陷促使研究者转向探索具有正交晶系结构的κ相。这种亚稳相不仅具备4.7 eV的适中带隙，还展现出良好的热稳定性（700°C以下不转相），但其在c面蓝宝石衬底上生长时易形成120°旋转畴结构，制约了器件性能。

意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所（IMEM-CNR）的Tarak Hidouri团队在《Applied Surface Science》发表研究，首次实现了在立方结构III-V族衬底（GaAs和BGaAs/GaAs模板）上外延生长单相κ-Ga₂
O₃
。研究人员采用低压MOCVD系统，以三甲基镓(TMG)和水蒸气为前驱体，在610°C、60 mbar条件下进行沉积，通过系统的显微结构表征和界面分析，揭示了两种独特的生长机制：在GaAs衬底上形成多晶成核层作为应变缓冲层，而在含硼模板表面则因硼扩散形成非晶BGaO界面层，二者均能促进[001]取向的κ相柱状生长。

关键技术方法包括：1）采用MOCVD在III-V族衬底上可控沉积κ-Ga_{23
薄膜；2）XRD进行物相鉴定；3）STEM-HAADF（高角环形暗场扫描透射电镜）分析界面微观结构；4）EDX（能量色散X射线光谱）测定元素分布；5）AFM（原子力显微镜）表征表面形貌。}

【实验结果】

1. 物相与取向分析：XRD显示所有样品仅存在(00l)晶面衍射峰，证实获得纯κ相且沿[001]方向择优生长。与蓝宝石衬底样品相比，III-V族衬底上生长的薄膜衍射峰半高宽更窄，表明晶体质量更优。

2. 界面微观结构：

• Ga₂
  O₃
  /GaAs中观察到5-10 nm厚的多晶过渡层，其随机取向的晶粒有效释放了约4.7%的晶格失配应变，促使上层形成连续致密的柱状κ相，柱径达100-200 nm。
• BGaAs模板样品界面处存在2-3 nm非晶BGaO层，EDX证实该层富含硼元素。这是由于沉积初期硼向表面偏聚并与氧反应所致，该层使κ相与衬底实现晶格解耦。

1. 表面形貌：AFM显示两种样品均呈现典型柱状生长特征，均方根粗糙度分别为3.2 nm（GaAs衬底）和4.8 nm（BGaAs衬底），后者较高源于硼扩散导致的表面重构。

【结论与意义】
该研究突破性地实现了κ-Ga₂
O₃
在III-V族衬底上的异质外延，揭示了界面工程对晶体质量的关键作用：多晶成核层和非晶界面层分别通过应变弛豫和晶格解耦机制，克服了传统蓝宝石衬底上120°畴结构的缺陷。这一成果为设计新型垂直结构器件提供了材料基础，特别是BGaAs模板的可调组分特性，使得通过调控硼含量实现能带工程成为可能，在深紫外探测器、高功率电子器件等领域具有重要应用前景。研究提出的"立方衬底抑制旋转畴"策略，为其他亚稳相氧化物异质集成提供了新思路。