通过原子层沉积技术在MgO衬底上低温生长高质量Ga2O3薄膜

《Materials Science and Engineering: B》：Low temperature growth of high-quality Ga2O3 films on MgO substrate via atomic layer deposition

　　

刘向泰|张普园|李晨曦|金鹿|贾一凡|卢晓丽|王湛|陈海峰|马小花

中国陕西西安邮电大学先进半导体器件与材料国家重点实验室，西安 710121

摘要

Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体，在功率器件和太阳盲光探测器中具有良好的应用前景。由于与Ga₂O₃薄膜的晶格失配较低，MgO (100)通常被用作异质外延衬底。然而，传统的薄膜沉积方法通常需要较高的生长温度。在本文中，我们采用原子层沉积（ALD）技术在350°C的低温下在MgO (100)衬底上制备了高质量的Ga₂O₃薄膜。这些薄膜呈现出优化的（100）取向，这是通过从亚稳态γ相到稳定β相的温度诱导相变实现的。使用PE-O₂或O₃作为氧源制备的β-Ga₂O₃薄膜的结构特性相似，其（600）面摇摆曲线的半高宽（FWHM）仅为0.060°，且在350°C时的表面粗糙度低至0.187 nm。经过700°C的退火处理后，MgO衬底上的β-Ga₂O₃薄膜的晶体质量和表面形态都有所改善。我们还构建了两种原子构型来模拟MgO (100)衬底上外延β-Ga₂O₃薄膜的晶格匹配情况。这些结果对于在MgO衬底上应用基于Ga₂O₃的电子和光电子器件特别有用，尤其是在低温条件下。

引言

作为第四代超宽禁带半导体材料的核心代表，氧化镓（Ga₂O₃）的禁带能量范围为4.5至5.1 eV，这恰好对应于太阳盲区的240 nm至280 nm光谱[1]，[2]。基于Ga₂O₃的太阳盲光探测器在军事和民用领域（如导弹探测、无线通信和环境监测）具有重要的应用价值[3]，[4]。此外，Ga₂O₃在功率半导体器件中的出色性能也值得关注[5]，[6]。与之前的半导体材料相比，Ga₂O₃的击穿场强是硅（Si）的26倍，是碳化硅（SiC）的3倍[7]，[8]。这使得基于Ga₂O₃的器件能够在满足高电压和高功率应用要求的同时显著提高功率转换效率。目前，Ga₂O₃存在α、β、γ、δ、κ和ε六种已知的晶体相，其中β相是仅热力学稳定的结构，因此成为研究的重点[9]，[10]。

在β-Ga₂O₃衬底上生长的均匀外延β-Ga₂O₃薄膜由于界面处的完美晶格匹配而始终具有优异的晶体质量[11]，[12]，[13]。然而，目前β-Ga₂O₃衬底的价格相当昂贵，这受到技术问题的限制。常用的外延半导体薄膜衬底包括Si、Al₂O₃和MgO。由于β-Ga₂O₃与Si之间的较大晶格失配以及Ga和Si元素之间的化学反应，在Si（100）、（110）和（111）衬底上会形成多晶Ga₂O₃薄膜[14]，[15]，[16]。在常用的c面Al₂O₃衬底上生长的异质外延β-Ga₂O₃薄膜虽然可以形成热稳定的（?201）取向，但由于7.4%的晶格失配和六倍的旋转特性，其晶体质量较差[17]，[18]，[19]。相比之下，β-Ga₂O₃（100）面与MgO（100）之间的晶格失配较低，约为3%，因此在MgO衬底上生长的异质外延Ga₂O₃薄膜应该具有更好的晶体质量[20]。

黄等人通过在750°C的固定衬底温度下使用脉冲激光沉积（PLD）技术在MgO（100）上成功生长了（100）取向的β-Ga₂O₃薄膜，并发现优化后的氧气压力为7 Pa时，X射线摇摆曲线的半高宽（FWHM）为0.075°，均方根粗糙度（RMS）为0.216 nm[21]。吴等人采用PLD方法在600°C下在MgO（100）衬底上制备了掺Hf的Ga₂O₃薄膜，发现1%掺Hf的Ga₂O₃薄膜的晶体质量最佳，半高宽（FWHM）为0.47°，均方根粗糙度（RMS）为0.993 nm[22]。磁控溅射也可以用于在MgO（100）上生长Ga₂O₃薄膜，在700°C的衬底温度下获得了单（100）优选取向和4.91 eV的光学带隙[23]。李等人也使用磁控溅射技术在MgO（100）上生长了β-Ga₂O₃（100）薄膜，衬底温度同样固定在750°C。实验结果确认了最佳氧气流量比为1%，可生长出晶体质量优良的β-Ga₂O₃薄膜，其均方根粗糙度（RMS）为0.664 nm[24]。此外，通过金属有机气相外延（MOVPE）在550–700°C的温度范围内在MgO（100）衬底上沉积了（100）取向的Ga₂O₃薄膜，其β-Ga₂O₃[001]∥MgO〈011〉的平面外延关系得到了验证，最佳生长温度为650°C，半高宽（FWHM）为0.87°[25]。通过卤化物气相外延（HVPE）在MgO（100）衬底上异质外延生长了高质量β-Ga₂O₃薄膜，在550°C的生长温度下，（100）取向薄膜的半高宽（FWHM）为0.36°，均方根粗糙度（RMS）为9.32 nm[26]。总之，无论采用物理气相沉积（PVD）还是化学气相沉积（CVD）方法，报道的β-Ga₂O₃（100）薄膜在MgO（100）上的生长温度通常在550°C至750°C之间。如果能够降低生长温度，将有助于节约能源。原子层沉积（ALD）是一种特殊的CVD方法，其自饱和反应特性和逐层生长模式确保了低温生长和高均匀性的优势[27]，[28]。

在本工作中，我们首次在350°C的温度下使用ALD技术在MgO（100）衬底上制备了高质量的Ga₂O₃薄膜，随后进行了后续退火处理以研究更高温度下的结构特性。系统研究了生长和退火温度对Ga₂O₃薄膜晶体性质和表面形态的影响。此外，还通过原子模型揭示了Ga₂O₃薄膜与MgO衬底之间的晶格匹配情况。

章节摘要

实验方法

MgO（100）衬底依次在丙酮、乙醇和去离子水中进行超声清洗，每次10分钟，以有效去除衬底表面的有机残留物和物理吸附的杂质。然后通过光学显微镜检查衬底的清洁度。本研究中的所有Ga₂O₃薄膜都是使用Veeco公司的Savannah G2 S200 ALD系统制造的。在沉积过程中，衬底温度...

结果与讨论

图2（a）和（b）分别展示了使用O₃和PE-O₂作为氧源，在200°C至350°C的温度范围内在MgO（100）衬底上生长的Ga₂O₃薄膜的XRD衍射图，以MgO（100）衬底的XRD结果作为参考。在200°C沉积的Ga₂O₃薄膜表现出非晶态特征，具体体现在缺乏Ga₂O₃相关的特征衍射峰。当生长温度升高到250°C时，出现了亚稳态γ-Ga₂O₃的XRD峰...

结论

本研究成功地在350°C的低温下通过ALD技术在MgO（100）衬底上实现了高质量β-Ga₂O₃薄膜的异质外延生长。XRD测量表明，当生长温度设定为250°C时，无论使用O₃还是PE-O₂作为氧源，生长的Ga₂O₃薄膜均呈现亚稳态γ相。随着生长温度升高到350°C，γ相逐渐转变为热稳定的β相Ga₂O₃。

CRediT作者贡献声明

刘向泰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，资金获取，概念构思。张普园：撰写 – 原稿撰写，实验研究，数据管理。李晨曦：方法学研究。金鹿：数据分析。贾一凡：数据可视化。卢晓丽：资源协调。王湛：资金获取，概念构思。陈海峰：结果验证。马小花：项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：62304178，62504187）的共同支持。