在MOCVD中通过两步生长法提升ε-Ga?O?外延膜质量的特定方法及内在机理

《Applied Surface Science》：Specific methods and underlying mechanisms for improving the quality of ε-Ga 2O 3 epitaxial films by two-step growth in MOCVD

　　

•采用几何相位分析来分析外延膜的表面应变。
•通过结合 XRD 和 TEM 测试分析，确定了外延膜中 β 相存在的原因。
•利用两步生长法，确定了更有利于后续外延层生长的成核层类型。

引言
随着信息时代的到来，信息传输变得越来越至关重要，使无线通信成为全世界研发的主要焦点 [1]。目前，无线通信不再局限于传统的广播电视领域，而是扩展到广泛的通信系统，包括移动和卫星通信、导航、雷达、电子反制、遥控和遥测、物联网、5G 网络以及新兴的 6G 网络 [2]。随着无线通信应用的日益普及，作为无线通信系统基本和关键组件的射频前端变得越来越重要。射频前端主要由功率放大器、低噪声放大器、射频开关、调谐器、滤波器和双工器组成。在这些组件中，滤波器和双工器大多是表面声波滤波器 [3]。谐振器作为声滤波器的基本组成单元，根据其在滤波器阻抗网络中的连接配置表现出不同的阻抗特性。它们主要依靠压电材料的压电和逆压电效应来实现电信号与声信号之间的相互转换。ε-Ga2O3 是唯一具有自发极化的 Ga2O3 多晶型 [4]。它具有 Ga2O3 材料在恶劣环境（如高温和强辐射）下运行的能力，其压电特性已得到实验证实。这些特性使 ε-Ga2O3 成为表面声波器件和无线通信的有前途的候选材料。
目前，市场上主流可用的压电材料包括 LiNbO3、ZnO、AlN、ScAlN 等。用 LiNbO3 制造的 SAW 器件具有较高的机电耦合系数和较低的传播损耗，但温度稳定性差 [5]。ZnO 压电薄膜因其压电系数高、成本低、无毒、易于制造且易于形成良好的优选取向，广泛应用于 SAW 传感器和其他微系统中。然而，单晶 ZnO 存在化学不稳定、耐高温性差、声速低和带隙窄等缺点 [6]。AlN 薄膜是一种具有优异化学稳定性、超宽带隙、高击穿电压和高热导率的压电材料 [7]。尽管具有这些优势，但 c 轴方向上相对较低的压电系数以及小于 1% 的机电耦合系数 K2 限制了 AlN 基 SAW 谐振器的应用，尤其是在高频应用中 [8], [9]。与纯 AlN 相比，掺钪 AlN 表现出显著增强的压电系数。基于 AlScN 的薄膜体声波谐振器的机电耦合系数约为纯 AlN 的三倍 [10]。Sc 的掺入不仅增强了 AlN 的压电系数和机电耦合系数，还保留了薄膜的优选 c 轴取向。随着 Sc 含量的增加，压电系数在 Sc 组分约为 43% 时达到峰值，达到约 20 pm/v，随后急剧下降 [11]。这种行为归因于 AlN 纤锌矿结构向 ScN 岩盐结构的晶体结构相变，只有前者具有压电性。此外，制备具有高 Sc 浓度和良好均匀性的 AlScN 薄膜仍然极具挑战性，成分偏析可能导致良率降低。ε-Ga2O3 的理论自发极化为 23 μC/cm2，大约是 AlN（8.1 μC/cm2）的三倍，显著高于 GaN（2.9 μC/cm2）[12]。由于这种高的自发极化，它引起了研究人员的极大关注。2026 年，Shen 等人 [13] 成功在掺 Nb 的 SrTiO3 (1 1 1) 衬底上生长了不同厚度的外延 ε-Ga2O3 薄膜。这些薄膜的极化 - 电压测量显示出了清晰的铁电滞回环和饱和极化翻转，提供了 ε-Ga2O3 自发极化的首项实验证据。尽管实验测量值与理论预测有偏差，但它们仍高于许多传统铁电体。宽带隙和铁电特性的共存赋予了 ε-Ga2O3 巨大的应用潜力。此外，ε-Ga2O3 的压电特性已被用于制造 SAW 谐振器，如相关工作报告所示。2022 年，Chen 等人 [12] 成功制造了基于 ε-Ga2O3 外延薄膜的 SAW 谐振器。这项工作代表了 ε-Ga2O3 薄膜压电特性的首次应用，表现出相对较高的 d33 值为 10.8–––11.2 pm/V。2023 年，Tu 等人 [14] 报道了一种波长为 2.4 μm 的 ε-Ga2O3/蓝宝石 SAW 谐振器，其机电耦合系数 (K2) 为 1.09，品质因数 (Q) 为 328。2025 年，Ding 等人 [15] 报道了一种基于 ε-Ga2O3/蓝宝石结构的谐振器，实现了 Q 值为 3927，频率温度系数 (TCF) 为 ?56.73 ppm/K，表明其在温度传感应用中的潜力。2025 年，Fu 等人 [16] 成功在 ε-Ga2O3/4H-SiC 上制造了 HBARs，实现了 7.9% 的机电耦合系数，从而证明了 ε-Ga2O3 压电薄膜用于高性能射频声器件的显著潜力。
ε-Ga2O3 的研究正在不断演进和推进，生长高质量的 ε-Ga2O3 薄膜仍然是确保其实际应用的前提。与其他外延技术相比，MOCVD 由于能精确控制外延层厚度和掺杂，生长速率相对较高，且适合大面积生长，因此更容易扩展到工业生产 [17], [18], [19], [20]。关于 ε-Ga2O3 薄膜 MOCVD 外延生长的研究仍然相对稀缺。两步生长法可以显著提高外延膜的质量，主要涉及低温成核层，然后是高温外延层。然而，由于 ε-Ga2O3 是一个亚稳相，生长温度窗口狭窄，因此详细研究了不同类型成核层的影响。基于大量实验结果，对 ε-Ga2O3 薄膜的 MOCVD 两步外延生长进行了详细分析 [21], [22], [23]。提出了三种典型类型的成核层，在此基础上进行两步生长以确定最佳的成核层类型。通过结合宏观和微观分析，比较一步生长和两步生长的差异，并阐明通过两步方法实现 ε-Ga2O3 外延质量提升背后的潜在原因和机制。

章节片段
实验细节
本文所述的外延膜是使用西安电子科技大学独立开发的 120 型金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 系统生长的。用于外延生长的衬底是 2 英寸 c 轴取向的蓝宝石衬底。生长前，将衬底分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗 5 分钟，以去除有机污染物和残留的抛光颗粒，然后用氮气枪吹干以保持

结果与讨论
三种外延 ε-Ga2O3 薄膜的 XRD 图谱如图 1 (a) 所示。位于 19.1°、38.7° 和 59.7° 的衍射峰对应于 ε-Ga2O3 的 (002)、(004)、(006) 晶面。41.6° 处的峰源自 c 轴取向 α-Al2O3 的 (0006) 晶面。18.9°、38.4° 和 59.18° 处的峰分别归因于 β-Ga2O3 的 (2ˉ 01)、(4ˉ 02) 和 (6ˉ 03) 晶面。如图 1 (a) 所示，除了外延生长的 ε-Ga2O3 外，在两者中均存在 β-Ga2O3

结论
本文结合宏观和微观分析，阐明了通过两步法生长的 ε-Ga2O3 外延膜质量改进的起源。实验结果表明，具有低粗糙度、平坦表面和高晶格质量的成核层为后续第二步外延层的生长提供了更有利的基础。通过比较成核层、单步生长和两步生长外延层，并通过整合

CRediT 作者贡献声明
王龙：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。
王尧：写作 – 审阅与编辑，形式分析。
董彦博：调查，形式分析。
石硕：方法论，调查。
冯倩：写作 – 审阅与编辑，资源，项目管理，调查。
张亚超：写作 – 审阅与编辑，资源，项目管理。
张金成：资源，项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
无。
王龙 | 王尧 | 董彦博 | 石硕 | 冯倩 | 张亚超 | 张金成 | 郝跃