【国内论文】中山大学王钢教授团队：通过使用具有较大离轴角度的蓝宝石衬底对MOCVD生长的ε-Ga₂O₃薄膜的缺陷结构进行调控

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        亚稳相的 ε-Ga₂O₃ 是一种具有吸引力的宽禁带半导体材料，其特点包括超宽带隙（4.9 eV）、高击穿电场强度（8 MV/cm）以及较大的自发极化强度（23 μC/cm²）。该材料在日盲紫外探测器、高电子迁移率晶体管（HEMT）、肖特基势垒二极管（SBD）以及金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）等领域展现出广阔的应用前景。然而，异质外延生长的 ε-Ga₂O₃ 中存在高密度缺陷，严重影响器件性能。此外，由于难以获得高结晶质量的 ε-Ga₂O₃ 薄膜以及适用于异质结构生长的器件级表面，当前在实验中仍难以实现理论预期的高密度二维电子气（2DEG）结构。因此，基于 ε-Ga₂O₃ 的器件在实现商业化应用方面仍面临诸多挑战。

        ε-Ga₂O₃ 材料的发展与应用受到其缺陷结构不清晰及晶体质量较差的显著制约。本文系统研究了在具有不同偏轴角（0.2°、0.5° 和 4°）的 c 面蓝宝石衬底上外延生长的 ε-Ga₂O₃ 的缺陷结构。通过多种显微表征手段，识别出典型缺陷类型，包括三维倾斜晶粒、Hillocks缺陷、旋转畴（RDs）、反相边界（APBs）、晶界（GBs）以及贯穿位错（TDs）。原子力显微镜（AFM）和 X 射线衍射（XRD）摇摆曲线测试表明，引入 4° 偏角可显著改善表面形貌，并降低面内缺陷密度。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）平面图分析旋转畴、畴边界和晶界等微观结构后发现，这一改善主要归因于旋转畴尺寸的扩展和晶界密度的降低。此外，基于传输线模型（TLM）和金属–氧化物–半导体场效应晶体管（MOSFET）测试，掺杂 F 的 4°样品表现出良好的器件性能，其薄膜电阻（R_sh）为 602 Ω/sq，平均最大漏极电流（I_Dmax）达 184 mA/mm。本研究提出了一种有效调控缺陷结构的可行策略，为提升 ε-Ga₂O₃ 外延生长质量提供了有力支持。

        ●  ε-Ga₂O₃ 中典型的缺陷包括表面缺陷和面内缺陷。

        ●  在大偏角蓝宝石衬底上成功实现准台阶流模式的 ε-Ga₂O₃ 薄膜生长。

        ●  采用偏角蓝宝石衬底可有效降低 ε-Ga₂O₃ 的面内缺陷密度。

        ●   ε-Ga₂O₃ 晶粒由多个旋转畴和反相边界组成。

        ●  掺 F 的 4° 偏角样品的片电阻为 602 Ω/sq。

        本文研究了在沿 [11-20] 方向具有 0.2°、0.5° 和 4° 偏角的 c 面蓝宝石衬底上，采用 MOCVD 方法生长的 ε-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量与微观结构。通过 SEM、AFM 和 TEM 等先进技术对薄膜微结构进行详细分析，发现 ε-Ga₂O₃ 薄膜中主要存在的缺陷类型包括 hillocks 缺陷、倾斜晶粒、旋转畴（RDs）、反相边界（APBs）、晶界（GBs）以及贯穿位错（TDs）。通过摇摆曲线测试发现，随着偏角的增大，薄膜的 twist 展宽由 0.642° 降低至 0.545°，而 tilt 展宽几乎保持不变。平面 TEM 观察表明，twist 展宽的改善主要归因于样品中旋转畴尺寸的增大和晶界密度的降低，尤其是在 4° 偏角样品中更为明显。此外，缺陷密度的降低也通过传输线模型（TLM）测量与掺氟 MOSFET 器件的输出特性得到了进一步验证： 薄膜方块电阻 R_sh 从 768 Ω/sq 降至 602 Ω/sq， MOSFET 器件 I_Dmax 则从 115 mA/mm 提升至 184 mA/mm（在 V_GS = 10 V 条件下）。本研究表明，通过选择合适的衬底，可以有效提升 ε-Ga₂O₃ 薄膜的晶体质量，为其高性能器件应用提供了结构优化策略。

图 1. 在偏轴角分别为 0.2°、0.5° 和 4° 的 c 面蓝宝石衬底上，以相同生长参数外延生长的 ε-Ga₂O₃ 样品的 2θ-ω 扫描图谱。

图 2. 晶体质量对比：（a）(004) 晶面的摇摆曲线；（b）扭转角。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164010