【国际论文】ASS丨意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所：在离轴4H-SiC基底上通过MOVPE生长β氧化镓薄膜成核与晶粒取向的结构研究

        由意大利国家研究委员会微电子与微系统研究所的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Structural insights into nucleation and grain orientation in β-Ga₂O₃ films grown by MOVPE on off-axis 4H-SiC substrates（在离轴 4H-SiC 基底上通过 MOVPE 生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜中成核与晶粒取向的结构研究）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带（~4.9 eV）和高击穿场强，是下一代功率电子器件的有前途的材料。然而，其极低的热导率导致严重的散热问题，限制了器件性能。将 β-Ga₂O₃ 薄膜异质外延生长在具有高热导率的衬底上，是解决散热问题的有效策略。由于两种材料之间存在巨大的晶格失配和热膨胀系数差异，在 SiC 上生长高质量的 β-Ga₂O₃ 薄膜极具挑战性，通常会导致多晶薄膜的形成以及旋转畴的出现。使用具有特定偏切角的衬底可以提供表面台阶，这有助于引导成核并改善晶体取向的排列，但具体的生长参数对微观结构的影响仍需深入探究。

        本研究采用低压金属有机气相外延技术，在 4° 倾斜 4H-SiC 衬底上沉积了 β-Ga₂O₃ 薄膜。该衬底具有高导热性，相较于低导热性的 β-Ga₂O₃ 自衬底，可使垂直功率器件实现更高效的散热。通过 X 射线衍射和透射电子显微镜对所得异质外延薄膜进行了表征。结果表明，β-Ga₂O₃ 薄膜由具有三种特定面内取向的晶粒组成，其特征均为氧原子平面呈伪六角形排列：主取向为 (-201)，(101) 取向局限于界面附近，而等效的 (310) 和 (3-10) 晶面则倾向于横向扩展并生长至薄膜表面。通过电子衍射与高分辨率扫描透射电子显微镜技术，对 β-Ga₂O₃ 与 4H-SiC 界面进行了深入研究。本研究成果深化了对 β-Ga₂O₃ 在 4° 离轴 4H-SiC 衬底上成核与生长的理解，重点阐明了阶梯流与岛状生长机制之间的竞争关系。

        • 通过金属有机物气相沉积法在 4° 离轴 4H-SiC 衬底上生长了 β-Ga₂O₃ 薄膜。

        • 透射电子显微镜和 X 射线衍射分析揭示了三种不同的晶粒取向：(-201)、(101) 和 (310)。

        • (-201) 取向占主导地位，而 (101) 晶粒仅局限于界面附近。

        • (310) 晶粒虽稀疏成核，但可横向扩展至薄膜表面。

        • 阶梯流生长机制受阻，促使二维成核与三维岛状结构形成。

        通过金属有机物气相沉积法在 4° 离轴 4H-SiC 衬底上沉积 β-Ga₂O₃ 薄膜，并采用 X 射线衍射和透射电子显微镜表征，以探究其成核与生长机制。透射电子显微镜分析为 β-Ga₂O₃ 薄膜在 SiC 衬底上的初始生长阶段提供了可靠的假设依据。在 β-Ga₂O₃ 的单斜晶结构中，可识别出四种不同的伪六方氧平面：(-201)、(101)、(310) 和 (3-10)，其中后两者具有等效性。尽管氧亚晶格相似，但这些取向在镓原子的排列上存在差异。实验证据表明，这些伪六角氧平面主导了 β-Ga₂O₃ 薄膜在基底界面处的成核过程。实验观测到与 (0001) 4H-SiC 基面平行的 (-201)、(101)、(310) 及 (3-10) 取向晶粒，其中 (-201) 取向在统计上占主导地位。研究发现：(101) 取向晶粒仅局限于界面附近，延伸数十纳米后即被完全覆盖；(310) 取向晶粒成核频率低于 (-201) 晶粒，但可横向扩展并抵达表面。界面处存在微小半球形区域、阶梯边缘空隙及不同取向晶粒的现象表明，尽管衬底表面具有阶梯结构，但并未发生阶梯流生长。相反，在台阶上观察到先二维再三维的岛状生长模式。

图1. (a) 截面图与 (b) 平面视图：生长于 4° 离轴 4H-SiC 衬底上的 β-Ga₂O₃ 透射电子显微镜图像。(c) XRD ω-2θ 衍射图谱。(d) 沿 [-205] 区轴的面内电子衍射图。

图2. (a) 在 (b) 图中圆圈区域获得的 SAED 图像。(b) 通过选择 β-Ga₂O₃ (-201) 衍射点获得的 DF-TEM 图像，该点在 (a) 图中以橙色圆圈标出。(c) 选取 (a) 图中红色圆圈区域之一获得的 DF-TEM 图像。(d) 在 (c) 图紫色圆圈区域获得的 DP 图像。

图3. β-Ga₂O₃/4H-SiC 界面高分辨率 HAADF STEM 图像。(a) (0001) SiC 台阶上生长着 (-201) 八面体 Ga 平面。(b) 距界面 5 nm 处的空隙，与阶梯边缘相对应（黄色箭头）。

图4. (a) 位于两个 (-201) 取向晶粒之间的 (310) 取向晶粒的高分辨率 HAADF STEM 图像；(b) 对应的 FFT 图像及相对光斑分布。(c 和 d) 界面处的 (101) 取向晶粒；(e) 对应的 FFT 图像。

图5. 界面 HAADF STEM 图像，附有成核与生长机制示意图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.165208