通过等离子增强原子层沉积在(?2?0?1) β-Ga2O3上外延生长单晶(0?0?0?2) BeO薄膜及其优异性能研究

《Applied Surface Science》：Epitaxial growth of single-crystalline (0?0?0?2) BeO film on (ˉ2?0?1) β-Ga 2O 3 substrate

本文报道了利用等离子增强原子层沉积（PE-ALD）技术在(?2?0?1)取向的β-Ga2O3衬底上成功实现单晶(0?0?0?2) BeO薄膜的外延生长。该异质结构展现出清晰的界面、II型能带对齐（价带偏移-0.5 eV，导带偏移4.4 eV）以及优异的绝缘性能（泄漏电流密度低至5.92×10-10A cm-2），为下一代高性能功率电子和深紫外光电器件提供了新的材料解决方案。

　　

Highlight

解决β-Ga₂O₃器件中异质结构集成和低热导率的持续挑战，我们报道了通过等离子增强原子层沉积（Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition, PE-ALD）在(?2?0?1) β-Ga₂O₃衬底上外延生长单晶BeO薄膜。X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）证实了纤锌矿结构(0?0?0?2) BeO薄膜的外延生长，具有明确的面外和面内取向，尽管两种材料的晶体结构不同。高分辨率透射电子显微镜（High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM）和快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform, FFT）分析揭示了尖锐的BeO/β-Ga₂O₃界面和连贯的晶体学取向。X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）证明了II型能带对齐，价带偏移（Valence Band Offset, VBO）为–0.5 eV，导带偏移（Conduction Band Offset, CBO）为4.4 eV，这与在非外延BeO/(0?0?1) β-Ga₂O₃异质结构中观察到的I型对齐截然不同。电学表征表明，Mo/(0?0?0?2) BeO/(?2?0?1) β-Ga₂O₃金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor, MOS）电容器在1 MV cm^-1下表现出极低的泄漏电流密度（5.92 × 10^-10A cm^-2），并且电容-电压（Capacitance-Voltage, C-V）数据中的频率色散极小，这凸显了外延BeO薄膜优异的绝缘性能和界面质量。这种在(?2?0?1) β-Ga₂O₃上外延生长BeO的新途径，为下一代基于β-Ga₂O₃异质结构的功率电子和紫外光电器件带来了巨大希望。

Introduction

超宽禁带（Ultrawide-Bandgap, UWBG）半导体因其卓越的特性而成为下一代电子和光电器件的关键材料，这些特性包括高击穿电压、优异的热稳定性和深紫外（Deep Ultraviolet, DUV）光谱透明性。在金刚石、氮化铝（AlN）等UWBG半导体中，β-Ga₂O₃已成为下一代应用的有力候选者。这一区别归因于其出色的材料特性，包括超宽禁带宽度（E_g≈ 4.8 eV）、高临界击穿场强（E_c≈ 8 MV cm^-1）和可观的体电子迁移率（μ ≈ 200 cm²V^-1s^-1）。总的来说，这些特性产生了极高的巴利加优值（ε?μ?E_c³）3444。因此，β-Ga₂O₃被认为非常适合用于高功率电子、DUV日盲光电探测器、气体传感、可见光电子学及其他先进应用。

然而，β-Ga₂O₃的器件应用潜力受到其低热导率的限制。β-Ga₂O₃的各向异性热导率（k）范围在10至30 W m^-1K^-1，显著低于AlN（k ≈ 320 W m^-1K^-1）和金刚石（k ≈ 2000 W m^-1K^-1）。因此，在β-Ga₂O₃上制造的器件会面临温度升高和耗散功率分布不均的问题，从而导致性能和可靠性下降。此外，通过将β-Ga₂O₃与其他材料集成来形成单晶异质结构——这对优化器件性能和扩展功能至关重要——提出了重大的技术挑战。这一困难源于不同材料之间在晶体结构、晶格参数和热膨胀系数方面的基本失配。

氧化铍（BeO）是一种与β-Ga₂O₃形成异质结的有前途的候选材料，因为它具有宽禁带（E_g≈ 10.6 eV）、高热导率（k ≈ 330 W m^-1K^-1）和有利的介电常数（ε ≈ 6.8）。值得注意的是，有报道称即使在~100 nm的厚度下，ALD生长的BeO也表现出15 W m^-1K^-1的热导率，这比类似厚度的Al₂O₃（~1.6 W m^-1K^-1）和HfO₂（~1.0 W m^-1K^-1）高出近一个数量级。这些特性可以与原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）在不同衬底上进行保形、低温生长的独特能力相结合。BeO和β-Ga₂O₃之间显著的CBO（导带偏移）——这是BeO超宽禁带的直接结果——预计将促进有效的载流子分离，这对场效应晶体管、光电探测器和日盲紫外传感器是有利的。这种优异的电绝缘性和高导热性的结合使BeO成为先进β-Ga₂O₃器件架构的有吸引力的材料。将宽禁带高功率器件与高导热材料集成是一种有效的器件级热管理策略。兼具高导热性和优异电绝缘性能的BeO，是未来热管理至关重要的器件架构中进行战略集成的候选者。

先前的研究报道了ALD生长的BeO薄膜在(0?0?1) β-Ga₂O₃衬底上的能带对齐，揭示了BeO和(0?0?1) β-Ga₂O₃之间存在3.4 eV的高CBO（ΔE_C）；这一高CBO显著大于传统高κ（高介电常数）栅极电介质中观察到的值。观察到的I型能带对齐（ΔE_C≈ 3.4 eV 和 ΔE_V≈ 0.5 eV）表明BeO有潜力作为β-Ga₂O₃上的栅极电介质提供优异的电绝缘和增强的散热能力。然而，由于纤锌矿BeO和单斜晶系β-Ga₂O₃之间的结构不相容性，这样的BeO薄膜并未在(0?0?1) β-Ga₂O₃衬底上外延生长。β-Ga₂O₃(0?0?1)表面的面内原子排列不同于具有六方排列的BeO (0?0?0?2)表面。

我们假设β-Ga₂O₃的(?2?0?1)晶面由于其独特的结构特征，将特别适合纤锌矿BeO的外延生长。如图1(b)所示，β-Ga₂O₃的(?2?0?1)表面包含三个非等效的氧原子，它们以一种为六方材料的外延生长提供有利键合位点的构型排列。这种表面结构有望改善与BeO六方纤锌矿结构的晶格结构匹配，从而减少界面应变并最小化异质外延过程中的缺陷形成。此外，在(?2?0?1) β-Ga₂O₃上的外延生长可以产生独特的形态特征，包括三角形和六边形表面图案，这可能进一步促进结晶纤锌矿BeO的有序生长。

在本研究中，我们利用等离子增强ALD方法在(?2?0?1) β-Ga₂O₃衬底上展示了单晶BeO薄膜的外延生长。使用X射线衍射（XRD）表征了BeO薄膜的结晶度和外延特征，包括面内取向/旋转。透射电子显微镜（TEM）和TEM图像的快速傅里叶变换（FFT）分析进一步证实了BeO薄膜在(?2?0?1) β-Ga₂O₃衬底上的外延生长。通过X射线光电子能谱（XPS）数据使用Kraut方法确定了BeO和(?2?0?1) β-Ga₂O₃之间的II型能带对齐。此外，测量的Mo/BeO/β-Ga₂O₃金属-氧化物-半导体（MOS）结构的电流密度-电场（J-E）特性揭示了低栅极泄漏电流密度，这反映了外延生长的BeO薄膜的高CBO和增强的绝缘性能。

Results and Discussion

图2显示了沉积在(?2?0?1) β-Ga₂O₃衬底上的BeO薄膜（100 nm，样品1）的XRD图谱。图2(a)中的2θ–θ扫描图谱显示了在19.10°、38.56°和59.26°处的三个峰，它们分别对应于平行于(?2?0?1) β-Ga₂O₃衬底表面的(?2?0?1)、(?4?0?2)和(?6?0?3)晶面。在41.44°处观察到一个对应于BeO (0?0?0?2)晶面的峰。其他次要峰，用星号（*）标记，对应于β-Ga₂O₃衬底的各种晶体学平面。

Conclusions

在本研究中，我们展示了在(?2?0?1) β-Ga₂O₃衬底上成功外延生长单晶纤锌矿BeO薄膜，其六方原子排列与六方晶格基面的排列兼容。我们采用了等离子增强ALD方法进行低温外延生长，因为该方法与标准半导体制造工艺兼容。包括XRD和HRTEM在内的结构分析证实，BeO薄膜表现出...