由西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Alloys and Compounds 發(fā)布了一篇名為 Compositional engineering and performance optimization of β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ Films via MOCVD Epitaxy（通過(guò) MOCVD 技術(shù)實(shí)現 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的成分工程和性能優(yōu)化）的文章。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )（NSFC）（Grant No. U21A20503）的資助。

2. 背景

寬禁帶半導體材料因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)特性，在高功率、高頻率和高溫電子器件領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。在這些材料中，氧化鎵 (Ga₂O₃) 因其超寬禁帶（約 4.9 eV）、高擊穿電場(chǎng)（約 8 MV/cm）和優(yōu)良的加工性能，成為下一代功率器件和深紫外探測器的熱門(mén)候選材料。然而，單組分 Ga₂O₃ 材料在帶隙寬度和電子結構方面的可調性有限，難以滿(mǎn)足某些先進(jìn)器件應用的嚴苛性能要求。為解決這些局限性，研究人員轉向開(kāi)發(fā) Ga₂O₃ 的衍生材料，特別是鋁摻雜氧化鎵 ((Al_xGa_1-x)₂O₃)，旨在通過(guò)元素摻雜和異質(zhì)結構工程實(shí)現對材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化和控制。(Al_xGa_1-x)₂O₃ 作為 Ga₂O₃ 基寬禁帶半導體的重要拓展，通過(guò)調控鋁（Al）的組分可以有效調節帶隙寬度和電子結構，在應用于高壓功率器件和光電子器件方面展現出巨大潛力。研究表明，通過(guò)調整 Al 組分，(Al_xGa_1-x)₂O₃ 的帶隙可以在 4.9 eV 到 8 eV 之間連續可調，從而滿(mǎn)足各種器件應用對不同帶隙的需求。

3. 主要內容

系統研究了在 Ga₂O₃ 襯底上外延生長(cháng)的不同鋁成分的 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的微觀(guān)結構、電子能帶和界面特性。研究采用了先進(jìn)的表征技術(shù)，包括 X 射線(xiàn)光電子能譜 (XPS)、透射電子顯微鏡 (TEM) 和幾何相分析 (GPA)，以闡明鋁摻雜對帶隙寬度、晶格應變和缺陷分布的調節機制。結果表明，鋁成分的增加會(huì )導致帶隙寬度逐漸增大，而氧空位的形成呈現非線(xiàn)性趨勢，在鋁濃度較高時(shí)，氧空位的形成在最開(kāi)始時(shí)會(huì )減少，隨后會(huì )增加。適度的鋁摻雜可提高薄膜的結晶質(zhì)量和結合強度，而過(guò)量的鋁摻雜則會(huì )帶來(lái)顯著(zhù)的晶格應變和缺陷積累。此外，(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 異質(zhì)結界面表現出極佳的晶格匹配，外延 Ga₂O₃ 層在減輕界面應力方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過(guò)優(yōu)化外延生長(cháng)參數，這項研究實(shí)現了對 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜結構和電子特性的精確控制，為開(kāi)發(fā)高性能寬帶隙半導體器件提供了實(shí)驗啟示和理論指導。

4. 研究亮點(diǎn)

● 系統研究在 Ga₂O₃ 襯底上外延生長(cháng)的 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜。

● 揭示了氧空位動(dòng)力學(xué)受 Al 摻雜影響的非線(xiàn)性趨勢。

● 確定了可提高晶體質(zhì)量和結合強度的最佳鋁摻雜水平。

● 在異質(zhì)結中實(shí)現了出色的晶格匹配和界面應力緩解。

● 為高性能寬帶隙半導體提供了實(shí)驗和理論見(jiàn)解。

5. 總結

本研究采用 MOCVD 外延生長(cháng)法成功制備了不同鋁成分的 (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜，并對其微觀(guān)結構、電子能帶特性和界面特性進(jìn)行了系統研究，以闡明鋁摻雜對 Ga₂O₃ 基材料性能的調節機制。結果表明，鋁摻雜能有效調節薄膜的帶隙寬度和晶格應力，從而優(yōu)化其光電和熱性能。原子力顯微鏡（AFM）和X射線(xiàn)衍射（XRD）分析表明，鎵的流動(dòng)速率對表面形貌和鋁/鎵成分比有顯著(zhù)影響，而高分辨率 TEM 和 GPA 則證實(shí)，(Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜中的晶格應力得到了有效緩解，并保持了良好的晶體結構和界面質(zhì)量。此外，XPS 結果表明，適度的鋁摻雜可抑制氧空位和其他缺陷態(tài)的形成，從而提高晶體的有序性和帶隙寬度；而過(guò)量的鋁摻雜則可能增加氧空位濃度，降低晶體質(zhì)量，會(huì )造成成分控制的問(wèn)題。這項全面的研究確立了鋁成分調節薄膜性能的物理和化學(xué)機制，優(yōu)化了外延生長(cháng)過(guò)程，為設計和開(kāi)發(fā)下一代高性能寬帶隙半導體器件奠定了堅實(shí)的基礎。這些發(fā)現不僅拓展了 (Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ 異質(zhì)結在電力電子、光電子和深紫外器件中的應用潛力，還為寬禁帶半導體材料的制造和性能優(yōu)化提供了重要的科學(xué)指導。

圖 1. (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的原子力顯微鏡圖像：（a）Ga:50sccm，（b）Ga:40sccm，（c）Ga:30sccm，（d）Ga:20sccm。

圖 2：(a) (Al_xGa_1-x)₂O₃ 薄膜的 (-603) ω 峰掃描搖擺曲線(xiàn)，(b) (Al_xGa_1-x)₂O₃ 合金的拉曼光譜，其中 Al 成分 (x) 最大為 0.34。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181060

本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號