衬底晶面对MOCVD同质外延生长n-Ga₂O₃薄膜性质的影响研究

摘要：β-Ga2O3作为一种超宽禁带半导体材料，因优异的物理特性（如禁带宽度4.2~4.9 eV、高击穿电场强度8 MV/cm）在功率器件、日盲紫外探测等领域展现出巨大潜力。然而，高质量、大厚度、高迁移率的Ga2O3薄膜生长工艺仍面临挑战。金属有机化学气相沉积（MO

β-Ga2O3作为一种超宽禁带半导体材料，因优异的物理特性（如禁带宽度4.2~4.9 eV、高击穿电场强度8 MV/cm）在功率器件、日盲紫外探测等领域展现出巨大潜力。然而，高质量、大厚度、高迁移率的Ga2O3薄膜生长工艺仍面临挑战。金属有机化学气相沉积（MOCVD）因高生长速率和可控性成为制备Ga2O3薄膜的理想方法。尽管已有研究在不同晶面衬底上实现了Ga2O3薄膜的生长，但衬底晶面对薄膜性质影响的系统性研究仍较缺乏。

近日，吉林大学董鑫教授团队在《人工晶体学报》2025年第3期“氧化镓晶体与器件”专题（下辑）发表了研究论文《衬底晶面对MOCVD同质外延生长n-Ga2O3薄膜性质的影响研究》（第一作者：韩宇；通信作者：董鑫）。本文通过MOCVD工艺在Fe掺杂的（001）、（010）和（-201）晶面β-Ga2O3衬底上同质外延生长Si掺杂n型β-Ga2O3薄膜，系统分析了衬底晶面对薄膜晶体质量、表面形貌、电学性能及生长速率的影响。发现所生长薄膜具有高度的衬底晶面延续性，双晶摇摆曲线FWHM均小于50″，薄膜晶体质量较高，(010)晶面衬底上生长的薄膜表现出最高的载流子浓度与迁移率，有望为后续高性能β-Ga2O3器件的制备提供参考。

论文题录●●

韩宇, 焦腾, 于含, 赛青林, 陈端阳, 李震, 李轶涵, 张钊, 董鑫. 衬底晶面对MOCVD同质外延生长n-Ga2O3薄膜性质的影响研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(3): 438-444.

HAN Yu, JIAO Teng, YU Han, SAI Qinglin, CHEN Duanyang, LI Zhen, LI Yihan, ZHANG Zhao, DONG Xin. Effect of Substrate Crystal Planes on the Properties of Homoepitaxial n-Ga2O3 Thin Films Grown by MOCVD[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(3): 438-444.

//文章导读

本文生长实验的具体工艺参数具体见表1。

表1n型β-Ga2O3薄膜同质生长工艺参数

对样品进行X射线衍射（XRD）测试（见图1），发现所有薄膜均表现出与衬底一致的晶面取向，表明薄膜具有良好的晶面延续性。且各薄膜的半峰全宽（FWHM）均小于50″，表明薄膜具有高晶体质量和低缺陷密度。这一结果为后续器件制备提供了高质量的薄膜材料基础。

图1不同晶面β-Ga2O3衬底上同质外延生长的n型β-Ga2O3薄膜XRD图谱

原子力显微镜（AFM）测试结果显示（见图2），薄膜表面均方根粗糙度（RMS）较低，（001）、（010）、（-201）的RMS分别为1.12、1.07和0.89 nm。表面形貌呈现类台阶流生长模式，说明吸附原子在表面迁移率高，倾向于沿台阶边缘延伸生长。这种生长模式有利于减少表面态，优化器件界面性能。此外，Si掺杂引入的成核点可能导致生长模式从台阶流向类台阶流转变，但整体表面质量仍保持较高水平。

图2不同晶面的β-Ga2O3衬底上同质外延生长的β-Ga2O3薄膜表面AFM照片

霍尔效应测试表明（见表2），不同晶面衬底上生长的薄膜电学性能差异显著。（010）晶面薄膜表现出最优异的电学性能，载流子浓度达2.4×1017 cm-3，迁移率为111.1 cm2/(V·s)，远高于（-201）和（001）晶面薄膜（迁移率分别为27.4和5.8 cm2/(V·s)）。这种差异可能与晶格对称性、Si原子吸附能力及声子散射等因素有关。高迁移率使（010）晶面薄膜在功率器件和射频器件中更具应用潜力。

表2(001)、(010)和(-201)面衬底上同质外延生长的n型β-Ga2O3薄膜的载流子浓度(n)、电子迁移率(μ)和电阻率(ρ)

通过扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜截面形貌（见图3），发现薄膜与衬底界面清晰，内部呈现台阶状条纹，符合台阶流生长机制。计算得出（001）、（010）和（-201）晶面衬底上的生长速率分别为1015、940和826 nm/h。生长速率差异与衬底晶面和（100）解理面的夹角相关：夹角越大，表面未配位键越多，生长速率越快。这一结果与卤化物气相外延（HVPE）的研究趋势一致。

图3不同氩氧比下Ga2O3:Si薄膜的FE-SEM照片

结论

本文利用MOCVD工艺，在Fe掺杂的(001)、(010)和(-201)晶面β-Ga2O3衬底上实现了Si掺杂的n型β-Ga2O3薄膜的高质量同质外延生长，并研究了不同晶面衬底对薄膜晶体质量、表面形貌、电学性能与生长速度的影响。XRD测试结果表明，生长薄膜具有高度的衬底晶面延续性，双晶摇摆曲线FWHM均小于50″，薄膜晶体质量较高。AFM测试结果显示，各薄膜表面粗糙度低，表面呈现类台阶流生长模式。霍尔效应测试结果表明，不同晶面衬底对薄膜电学性能存在较大影响，其中(010)晶面衬底上生长的薄膜表现出最高的载流子浓度与迁移率，优于(001)和(-201)晶面薄膜，说明(010)晶面衬底更有利于载流子输运性能的提升。SEM测试结果显示，不同晶面衬底上同质生长β-Ga2O3薄膜的生长速度存在差异，主要受其晶面与(100)晶面夹角的影响。本实验研究了衬底晶面对同质生长β-Ga2O3薄膜质量及电学性能等的影响规律，为后续高性能β-Ga2O3器件的制备提供了重要参考。

通信作者●●