（来源：第三代半导体产业）

近日，南京邮电大学氧化镓半导体创新中心（IC-GAO）唐为华教授团队基于MOCVD技术系统分析了氧/镓前驱物摩尔比（Ⅵ/Ⅲ ratio）生长参数对κ-Ga2O3薄膜外延质量的影响。相关成果以“Effect of the VI/III ratio on the growth of κ-Ga2O3 films via MOCVD”为题发表在应用物理学旗舰期刊《Applied Physics Letters》上，并被遴选为当期精选论文（Featured Paper），论文第一作者为南京邮电大学2024级博士研究生陆加淇。

氧化镓（Ga2O3）凭借~4.9 eV高的禁带宽度和8 MV/cm大的临界击穿场强，在新型光电器件和高功率电子领域中展现出巨大应用潜力。其中亚稳态κ-Ga2O3具有非中心对称的极性晶体结构（空间群Pna21），理论预测其自发极化强度为23-79 μC/cm²。自发极化特性不仅赋予κ-Ga2O3独特的电子输运调控能力，也为高电子迁移率晶体管（HEMT）、新型感存算一体化架构等多种新型器件提供了新的发展路径。目前，纯相高质量κ-Ga2O3外延生长仍是一大技术难题。一方面，κ-Ga2O3的生长窗口狭窄，晶体质量易受生长因素的影响；另一方面，κ-Ga2O3与β-Ga2O3之间存在显著的相竞争关系，且竞争机制还缺乏系统合理的研究。

图1（a）Ⅵ/Ⅲ ratio分别为1000，2000，3000的样品的精细XRD衍射图；（b）对应样品的κ-Ga2O3（002）晶面的摇摆曲线

在此工作中，研究团队在Al2O3衬底上开发了MOCVD低温异质外延生长κ-Ga2O3薄膜的工艺技术，利用多种表征手段系统探究了Ⅵ/Ⅲ ratio对κ-Ga2O3薄膜质量的影响，包括晶体结构、表面形貌以及化学状态，如图1所示。研究表明，当Ⅵ/Ⅲ ratio从500提高至1000时，薄膜由非晶态转变为包含β相与κ-Ga2O3相的混合结构。当Ⅵ/Ⅲ ratio优化至2000时，薄膜的生长模式由原来的层状生长（FM mode）转变为岛层混合生长（SK mode），且β相生长被有效抑制。同时，获得的κ-Ga2O3薄膜生长质量优异，氧空位缺陷更少，残余碳含量显著降低，摇摆曲线半高宽仅为0.66°。然而随着继续增加Ⅵ/Ⅲ ratio至3000，则会导致β相复现。这一趋势表明κ-Ga2O3呈现出中间态狭窄生长窗口。

图2（a）Ⅵ/Ⅲ ratio对Ga2O3 薄膜异质外延生长影响的示意图；（b）随着过饱和能∆μ增加，β-与κ-Ga2O3成核概率J的对比模型；（c）Jκ与Jβ之间差值的变化趋势，用于阐明β-Ga2O3的抑制与复现机制

研究团队基于异质外延生长动力学和经典成核理论，对κ相与伴随β相的竞争过程进行了理论建模与分析，如图2所示。在经典成核理论的框架下，Ⅵ/Ⅲ ratio与过饱和能∆μ成正比。在500 ℃的相对低温条件下，成核概率公式计算得到κ相的成核概率（Jκ）始终高于β相的成核概率（Jβ），说明κ相将择优生长。β相先抑制后复现的现象归因于成核概率Jκ与Jβ之间差异的趋势变化，揭示了生长过程中亚稳态向稳态演化相竞争机制。κ-Ga2O3薄膜MOCVD生长过程中Ⅵ/Ⅲ ratio对晶相竞争的影响研究，为优化κ-Ga2O3薄膜的外延质量、推动其在先进器件中的应用提供了重要指导。

团队介绍

南京邮电大学唐为华教授团队主要聚焦宽禁带半导体信息功能材料与器件研究。团队带头人唐为华，南京邮电大学集成电路科学与工程学院教授、博士生导师，十多年专注超宽禁带氧化镓半导体研究，是我国氧化镓半导体基础研究及产业化实践的先行者和主要推动者。入选国家“新世纪百千万人才工程”、中国科学院“百人计划”、江苏省“双创人才”和“双创团队”领军人才，享受国务院政府特殊津贴。主持包括国家重点研发计划课题、基金委重点项目在内的省部级重大重点课题二十多项，在国内外重要学术期刊发表SCI论文300余篇，论文被引用13500余次，入选ESI论文10余篇，连续多年入选Elsevier中国高被引学者和全球前2%顶尖科学家。

通讯作者：李山，南京邮电大学集成电路科学与工程学院副教授、硕士生导师， 江苏省青年科技托举人才，全球前2%顶尖科学家，MDPI出版社Crystal和Sensors期刊客座编辑。主要从事宽禁带/超宽禁带半导体材料与信息感知器件研究，以第一作者和通讯作者在Appl. Phys. Lett.、J. Phys. Chem. Lett.、IEEE Trans. Electron Devices、Sci. China Technol. Sci.等国内外主流期刊发表学术论文30余篇，申请专利10余项。目前主持有国家自然科学基金青年基金、江苏省基础研发重点项目课题、江苏省自然科学基金青年基金、江苏省高等学校自然科学研究面上、苏州市关键核心技术攻关等项目。

文章信息

Effect of Ⅵ/Ⅲ ratio on the growth of κ-Ga2O3 film via MOCVD

Jiaqi Lu, Wei Zhang, Maolin Zhang, Xueqiang Ji, Daoyou Guo, Zhilai Fang, Shan Li, Weihua Tang

Appl. Phys. Lett. 127, 201902 (2025)

https://doi.org/10.1063/5.0288203