【国际论文】JAC丨印度理工学院、新加坡南洋理工大学团队：Mist-CVD，一种可扩展且经济高效的锰掺杂β‑Ga₂O₃铁磁半导体生长方法

        由印度理工学院、新加坡南洋理工大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Mist-CVD: A Scalable and Cost-Effective Growth Pathway for Mn-Doped β-Ga₂O₃ Ferromagnetic Semiconductor（Mist-CVD：一种可扩展且经济高效的锰掺杂 β-Ga₂O₃ 铁磁半导体生长方法）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，在大功率电子、日盲探测及自旋电子学领域具有重要应用价值，锰掺杂可使其具备室温铁磁性，是自旋光电器件的理想候选材料。现有制备方法如脉冲激光沉积、分子束外延、离子注入等设备昂贵、真空条件苛刻、规模化生产成本高，难以满足产业化需求。目前基于低成本 Mist-CVD 工艺制备锰掺杂 β-Ga₂O₃ 铁磁半导体的可控生长、掺杂溶解度与磁性能关联机制仍缺乏系统研究，存在明显技术空白。

        该团队利用自主研发的雾化化学气相沉积（Mist-CVD）技术，制备出可规模化、低成本的锰掺杂 β-Ga₂O₃ 铁磁半导体薄膜。该团队优化生长条件以稳定单斜 β 相，并以 5 at.% 为步长实现 0–25 at.% 锰的系统掺杂。X 射线衍射、拉曼光谱与紫外 可见分析表明，锰掺杂量不超过 15 at.% 时，Mn³⁺ 以替代式占据镓晶格位点；超过该浓度后出现 MnOₓ 第二相，标志着溶解度极限的出现。振动样品磁强计（VSM）测试显示，样品在宽温度范围内均存在清晰磁滞回线，证实其稳定铁磁性。结果揭示锰掺杂量、结构稳定性与铁磁性之间存在强关联，证明 Mist-CVD 制备的锰掺杂 β-Ga₂O₃ 可作为下一代自旋电子与磁电器件的理想可扩展铁磁半导体平台。

        •采用 Mist‑CVD 制备厚度约 270 nm 的锰掺杂 β‑Ga₂O₃ 薄膜。

        •在 15% 锰掺杂、300 K 条件下实现 27 emu/cc 的最大饱和磁化强度。

        •通过 XRD 分析确定锰的溶解度极限约为 15%。

        •锰掺杂量大于 15% 时出现 MnOₓ 第二相，饱和磁化强度降至 15 emu/cc。

        •铁磁滞回线可保持至 350 K，证实热稳定性优异。

        该团队通过 X 射线衍射（XRD）与振动样品磁强计测试，证实采用 Mist-CVD 技术在锰掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜中成功实现室温铁磁性。XRD 分析表明，锰掺杂量约 15 at.% 时，β-Ga₂O₃ 薄膜保持良好结晶完整性，锰有效以替代式进入晶格；更高锰浓度会导致晶格畸变并产生 MnOₓ 第二相，标志着掺杂饱和极限出现。与结构结果一致，VSM 测试显示 15% 锰掺杂薄膜在室温及以上温度均表现出稳定铁磁滞回线，饱和磁化强度高达 27 emu cm⁻³，证实强长程铁磁有序。相比之下，20% 和 25% 锰掺杂薄膜饱和磁化强度降低，饱和场降低，表明第二相形成与 Mn-O-Mn 反铁磁耦合增强引发竞争磁相互作用。综上，该工作证实 15% 锰掺杂是实现 β-Ga₂O₃ 本征、热稳定铁磁性的最佳区间，同时确立 Mist-CVD 为可扩展、适配工业、经济高效的铁磁半导体（FMS）生长路线，可用于自旋电子与存储器件应用。

图 1. 自主研制的薄膜沉积雾化 CVD 装置示意图。

图 2. (a) 五种不同温度下生长的未掺杂 Ga₂O₃ 的 XRD 图谱；(b) 五种不同温度下生长的未掺杂 Ga₂O₃ 的紫外‑可见光谱；(c) 800°C 下不同锰掺杂量的锰掺杂 Ga₂O₃ 的 XRD 图谱；(d) 800°C 下不同锰掺杂量的锰掺杂 Ga₂O₃ 的紫外‑可见光谱。

图 3. 800°C 下生长的不同锰掺杂浓度（0–25%）Ga₂O₃ 薄膜的拉曼光谱。

图 4. 800°C 下生长的锰掺杂 β‑Ga₂O₃ 薄膜的表面形貌；(a–c) 分别为未掺杂、15%、20% 锰掺杂的 AFM 图像；(d–f) 对应 FESEM 图像。

图 5. β‑Ga₂O₃ 薄膜的截面 FESEM 图像；(a) 未掺杂；(b) 15% 锰掺杂；(c) 20% 锰掺杂。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188862