基于Mist-CVD技术的外延NiO/β-Ga2O3异质结构中依赖于衬底取向的畴结构形成

《Journal of Alloys and Compounds》：Substrate Orientation-Dependent Domain Formation in Epitaxial NiO/β-Ga2O3 Heterostructures via Mist-CVD

　　

Liru Zeng|Zeyulin Zhang|Dinghe Liu|Zhuangjie Xu|Dazheng Chen|Yue Peng|Qian Feng|Yachao Zhang|Jincheng Zhang|Chunfu Zhang|Yue Hao

中国西安710071，西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体器件与集成技术国家重点实验室

摘要

在氧化物异质外延中，界面结构对于决定宽禁带异质结构的结构完整性与性能稳定性起着关键作用。本研究通过雾态化学气相沉积技术，在β-Ga₂O₃基底上研究了高质量NiO薄膜的取向依赖性外延生长现象，发现不同基底取向会导致不同的外延结构形态。实验结合密度泛函理论分析表明，表面能、晶格失配以及晶体对称性之间的相互作用决定了不同基底取向下的外延生长模式与晶体质量。得益于高质量的外延结构，这些NiO薄膜具有优异的环境稳定性，在室温环境下暴露30天后仍能保持初始电流的94%。作为功能验证，所制备的NiO/(001) β-Ga₂O₃ p-n二极管表现出极低的漏电流密度（2.08×10^-8A·cm^-2@-100 V）以及高达885V的击穿电压，充分体现了外延界面质量的重要性。本研究为取向调控的氧化物异质外延机制提供了理论依据，也为构建稳定的宽禁带氧化物异质结构提供了新的材料思路。

引言

β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体，由于其较高的巴利加优值以及8MV/cm的理论击穿场强，被视为下一代高效电力转换器的理想材料[1]、[2]、[3]。然而，由于缺乏高效且稳定的p型导电性，β-Ga₂O₃的潜力至今未能得到充分发挥，这限制了高性能同质结p–n二极管及双极器件的制备[4]、[5]。

为克服这一固有缺陷，人们在β-Ga₂O₃与p型氧化物之间形成异质结，这一策略现已成为主流研究方向[6]、[7]、[8]、[9]。其中，含有p型NiO的结构展现出尤为出色的应用前景。自2016年首次实现NiO/β-Ga₂O₃异质结二极管以来[10]，这类结构在高功率应用领域展现出了巨大潜力。目前，这类异质结已实现了较高的击穿电压和较低的特定导通电阻。实验上，人们已经制造出了击穿电压从几千伏到3千伏以上的垂直整流器，部分器件的特定导通电阻甚至可低至几毫欧·平方厘米，对应的功率优值可达0.3到数GW·平方厘米[11]、[12]、[13]。其性能已接近甚至超越传统的SiC和GaN器件。性能的提升主要得益于高质量NiO薄膜的制备、界面能带对齐技术的应用，以及场板、准平面结终端延伸结构等边缘终止结构的引入。此外，采用低损伤沉积技术（如ALD、PLD和MBE）并结合后续退火处理，还可以有效调节NiO的非化学计量比（如氧空位等），从而控制空穴载流子浓度，进而提升器件的击穿电压并降低漏电流[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。

尽管取得了诸多进展，但仍有若干关键问题制约着NiO/β-Ga₂O₃异质结的实际应用。理想情况下，单晶NiO层能够提供均匀的势垒并形成几乎无缺陷的界面。但由于实际中多采用多晶NiO薄膜，这无疑会对界面质量和电气可靠性造成限制[20]、[21]、[22]、[23]。多晶NiO的颗粒结构会带来大量晶界、孔洞以及氧空位等本征点缺陷，这些微观缺陷会成为载流子的陷阱和散射中心，进而降低载流子传输效率，更严重的是还会成为局部漏电路径。即便在外延层中，旋转畴及其边界也会导致载流子散射，从而在高场应力作用下增加漏电流，而这一点在传统生长研究中往往被忽视[24]、[25]、[26]、[27]。此外，NiO/β-Ga₂O₃界面还存在化学稳定性差的问题，热应力或电应力作用下可能发生互扩散，生成NiGa₂O₄等中间相，从而导致能带错位和势垒不均匀，进一步增加漏电流并降低击穿性能[17]、[28]、[29]。这些界面反应还会引入晶格应变和结构缺陷，使得器件在长时间偏压或高温环境下的可靠性进一步下降。因此，如何制备出结构与界面都极为完善的高质量单晶NiO/β-Ga₂O₃异质结，仍是实现高性能氧化物基电力器件的关键挑战。为解决这一问题，亟需开发能够有效减少互扩散、抑制缺陷产生并确保器件长期稳定性的可控外延生长技术。

在本研究中，我们采用了雾态化学气相沉积技术，在β-Ga₂O₃基底上直接生长出高质量的单晶NiO，从而形成了NiO/β-Ga₂O₃异质结构。该技术可实现精确的化学计量控制，并且对基底损伤较小[30]、[31]、[32]、[33]。具体而言，我们利用基底取向带来的对称性破缺效应来抑制旋转畴的存在，最终实现了从多畴结构向单畴结构的转变。理论计算结果表明，表面能、对称性以及晶格失配三者共同决定了外延生长行为。得益于高质量的外延薄膜，我们成功制备出了垂直结构器件，且其长期稳定性表现优异。此外，通过该技术制备的异质结二极管也表现出极低的反向漏电流。本研究为NiO/β-Ga₂O₃异质结构的外延集成提供了重要理论依据，也为开发性能更优、稳定性更高的新一代β-Ga₂O₃基电力器件开辟了新途径。

内容节选

材料生长过程

我们使用雾态化学气相沉积系统在β-Ga₂O₃基底上沉积NiO薄膜。所使用的β-Ga₂O₃基底由富士镓业公司提供，其取向分别为(100)、(010)、(001)和(-201)。在将其放入反应腔之前，需依次用丙酮、乙醇和去离子水对其进行清洗。随后，我们用乙酰丙酮镍（Aladdin品牌，纯度为99.99%）配制了浓度为0.02mol/L的前驱体溶液，以氮气作为载气，清洁的干燥空气作为稀释气体。生长过程如下

结果与讨论

图1(a)展示了雾态化学气相沉积的外延生长机制。在该过程中，乙酰丙酮镍的溶液通过超声能量被雾化成微米级的液滴。这些液滴具有良好的传输性能和较高的化学反应活性。随后，载气将这些富含前驱体的液滴输送到高温的β-Ga₂O₃基底表面。在莱顿弗罗斯特效应的作用下，液滴会在基底表面附近迅速蒸发，从而形成局部

结论

综上所述，本研究通过雾态化学气相沉积技术，成功在β-Ga₂O₃基底上生长出了高质量的单晶NiO薄膜。在所有获得的薄膜中，生长在(-201)取向β-Ga₂O₃基底上的(111)取向NiO具有最高的晶体质量，其摇摆曲线的全宽半高仅为0.031°。通过系统的结构表征与密度泛函理论计算相结合的分析，我们确认表面能、晶格失配等因素之间存在着协同作用

作者贡献说明

C.Z.和L.Z.提出了研究思路，C.Z.、Y.H.和J.C.负责整个项目的指导工作。L.Z.、C.D.、Y.P.和Q.F.设计了实验方案。L.Z.、Z.X.和Z.Z.负责NiO外延材料的生长、结构表征及相关分析工作。L.Z.、D.L.和Y.Z.负责器件的制备与性能测试。L.Z.、Z.Z.和D.L.共同撰写了本文，所有作者都对文章内容进行了审阅。

作者贡献说明

Yachao Zhang：方法设计、定量分析。 Qian Feng：方法设计、定量分析。 Chunfu Zhang：项目管理、方法设计、资金申请、定量分析。 Jincheng Zhang：软件应用、资金申请。 Liru Zeng：论文初稿撰写、方法设计、实验研究、定量分析、数据整理、概念构思。 Yue Hao：软件应用、资金申请。 Dinghe Liu：论文初稿撰写、实验研究、定量分析、数据整理。 Zeyulin Zhang：论文初稿撰写

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62274132）、国家关键研发计划（项目编号：2022YFB3605402）、西安电子科技大学创新基金（项目编号：YJSJ25013）以及中国教育部基础学科拔尖计划（项目编号：JYB2025XDXM406）的支持。

利益冲突声明

作者们声明不存在任何可能影响本研究结果的财务利益关联或个人关系