ε-Ga?O?在蓝宝石衬底上异质外延生长的生长机制及其铁电性质

《Materials Today Advances》：Growth mechanism and ferroelectric properties of ε-Ga 2O 3 heteroepitaxially grown on sapphire substrates

本研究通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在c面蓝宝石衬底上制备了ε-Ga?O?薄膜，系统探究了生长温度（330-380°C）对薄膜结构、形貌、光学和电学性能的影响。温度调控可实现相变：330-340°C为无定形，350-360°C为高结晶度ε相，380°C为热力学稳定的β相。360°C时薄膜具有最佳性能：XRD峰尖锐（FWHM最小）、六方对称性显著、柱状晶垂直排列、表面光滑且厚度最大；光学显示约4.81 eV的直接带隙和可见光区>80%透光率；电学表现出低电阻率（较高温更低）和高载流子迁移率；XPS证实Ga完全氧化且氧空位少。非线性极化-电压滞回特性源于非中心对称的P63mc结构，表明ε-Ga?O?具有作为宽禁带铁电半导体（应用于铁电存储器、深紫外光电器件和高功率电子器件）的潜力。

　　

黄志扬|萧建南|肯尼斯·贾伦达尔|萧清莲|宋泰渊|林坤霖|黄宜卿|黄瑞华

台湾新竹国立阳明交通大学先锋半导体创新研究所，30010

摘要

本研究系统地探讨了生长温度对通过金属有机化学气相沉积法在c面蓝宝石衬底上异质外延生长的ε-Ga₂O₃薄膜的结构、形态、光学、电学及铁电类性能的影响。薄膜的沉积温度范围为330°C–380°C，研究发现其相变具有明显的温度依赖性：330–340°C时为非晶态，350–360°C时为高质量ε相，380°C时为热力学稳定的β相。在360°C下生长的薄膜表现出最佳性能，包括尖锐的XRD峰、最小的半高宽（FWHM）、明显的六重对称性、垂直排列的柱状晶粒、光滑的表面形态以及最大的厚度。光学测试表明其直接带隙约为4.81 eV，可见光谱区域的透射率超过80%。XPS分析显示镓元素完全氧化，氧空位较少。电学特性分析显示，360°C下薄膜的电阻率低于高温生长薄膜，表明其载流子传输能力更强。此外，还观察到了具有稳定热行为的非线性极化-电压迟滞现象，这归因于ε-Ga₂O₃的非中心对称六方P63mc结构。这些结果表明360°C是平衡结构完整性和功能性能的最佳生长温度，进一步凸显了ε-Ga₂O₃作为宽禁带极性半导体在铁电存储器、深紫外光电子学和高功率电子学应用中的潜力。

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