通过HVPE法成功制备高质量正交结构κ-Ga₂O₃异质外延薄膜

摘要：天津理工大学集成电路科学与工程学院聚焦集成电路全产业链，设有电子科学与技术、集成电路科学与工程、信息与通信工程3个一级学科硕士点及6个本科专业，其中国家级一流专业2个、天津市一流专业3个。学院师资雄厚，拥有国家级、省部级人才20余人，并建有天津市重点实验室、教

天津理工大学集成电路科学与工程学院的先进半导体器件及集成技术研究团队在学术期刊 Applied Physics A 发布了一篇名为“Structural and optical properties of high crystalline quality orthorhombic к-Ga2O3 heteroepitaxial films grown by HVPE”（通过HVPE法成功制备高质量正交结构 κ-Ga₂O₃ 异质外延薄膜）的文章。

天津理工大学集成电路科学与工程学院聚焦集成电路全产业链，设有电子科学与技术、集成电路科学与工程、信息与通信工程3个一级学科硕士点及6个本科专业，其中国家级一流专业2个、天津市一流专业3个。学院师资雄厚，拥有国家级、省部级人才20余人，并建有天津市重点实验室、教育部工程研究中心等科研平台。

“先进半导体器件及集成技术研究团队”由天津理工大学集成电路科学与工程学院院长赵金石教授担任负责人，是一支专注于半导体前沿技术研发的高水平科研团队。团队主要研究方向包括先进半导体存储器件、宽禁带半导体材料与器件、光电子器件以及新能源器件与系统集成技术。

氧化镓（Ga2O3）作为超宽禁带半导体（~4.9 eV），具有高击穿场强、低成本制备等优势，适用于高压功率器件、深紫外光电器件及极端环境电子学。团队研究聚焦材料外延生长、缺陷调控及器件设计，突破热管理、掺杂工艺等瓶颈，推动其在新能源、航空航天等领域的应用。

02团队介绍

通讯作者赵金石，博士毕业于韩国首尔大学，目前担任天津理工大学集成电路科学与工程学院院长、天津理工大学教授兼职首尔大学教授、天津市政协常委、天津市西青区政协副主席、农工党西青区工委主委，是天津市高等学校学科领军人才、天津市创新人才计划重点领域团队负责人。主要从事先进半导体材料器件与集成芯片领域的相关研究，在相关领域发表多篇高水平研究文章。主要研究方向包括先进半导体存储器、类脑芯片及神经形态器件、宽禁带半导体等方向。曾参与韩国三星电子的高集成度FRAM所需的低温MOCVD-PZT工艺研究项目，2014年主持天津市自然科学基金委重点项目基于两种不同导电机理的多值阻变存储器研究，2017年主持天津市教委天津市科学领军人才计划微纳半导体存储器研究，2018年主持天津市科技局天津市科技计划项目重大专项与工程面向**应用环境的一体化脉冲电场和强光消杀装备研制，2022年主持天津金沃能源科技股份有限公司横向项目光伏降级硅材料再利用技术攻关。获得授权美国专利4项，中国专利3项，韩国专利1项。

弭伟，天津理工大学集成电路科学与工程学院副教授，硕士生导师，博士毕业于山东大学，主要研究方向为宽禁带半导体材料与器件。担任全国纳米技术标准化技术委员会委员、北京英孚瑞半导体科技有限公司技术专家。以第一/通讯作者发表论文20余篇，先后承担多项天津市自然科学基金、天津市重点研发计划、企事业单位委托课题等项目，授权发明专利4项。弭伟老师从事氧化镓外延及器件相关研究十余年，专长集中在氧化镓的外延生长。科研团队通过HVPE方法实现高质量、大尺寸κ/β相氧化镓的外延膜制备，并在光电子器件及功率器件方向进行了应用。

03项目支持

本研究得到了天津市科技重大专项（Grant No. 18ZXJMTG00230）和天津市重点研发计划（No. 24YFXTHZ00200，24YFXTHZ00210）的支持。

04背景

氧化镓（Ga2O3）因其超宽禁带、高击穿场强等优异特性，成为下一代功率电子和深紫外光电器件的关键材料。在 Ga2O3 的多种晶相中，亚稳态的正交相 κ 相因其具有高自发极化和压电特性，在制备高迁移率晶体管和压电传感器等新型器件方面展现出独特的优势。然而，κ 相的亚稳态特性使其在生长过程中极易转变为更稳定的 β 相，这给高质量、纯相的 κ-Ga2O3 外延薄膜的制备带来了巨大挑战，尤其是在需要较高生长速率的氢化物气相外延（HVPE）技术中。目前关于 HVPE 法生长 κ-Ga2O3 的研究有限，需通过优化生长条件来获得大面积、高结晶质量的外延薄膜。

05主要内容

通过氢化物气相外延法在 c-Al2O3 衬底上生长出了高结晶质量的正交 κ-Ga2O3 外延薄膜。在 800℃ 下沉积的纯相 κ-Ga2O3 薄膜表现出卓越的结晶质量，其对称摇摆曲线半高宽为 379″。κ-Ga2O3 薄膜与 c-Al2O3 衬底的外延关系确定为 κ-Ga2O3 (001)//Al2O3 (0001)，面内外延关系为 κ-Ga2O3 [010]//Al2O3 [10_10] 和 κ-Ga2O3 [110]//Al2O3 [1_100]。在 800℃ 下沉积的薄膜平均可见光透过率为 70%，光学带隙为 4.72 eV。光致发光（PL）光谱显示，薄膜在 300 至 700 nm 的波长范围内表现出强烈的紫外（UV）-绿光发射。该薄膜的霍尔迁移率为 25 cm2 V−1 s−1，载流子浓度为 3.34×1018 cm−3。

06结论

通过优化生长区温度，研究团队在 800℃ 下通过 HVPE 在 c 面蓝宝石衬底上制备了高结晶质量的正交 κ-Ga2O3 外延薄膜，并对其表面形貌、晶体结构、结晶质量和光电性能进行了研究。XRD 分析证实，在 800℃ 下制备的样品为纯相的 κ-Ga2O3 外延薄膜，并且观察到随着温度升高，外延薄膜会发生 κ→β 相变。SEM 表征表明，κ-Ga2O3 外延薄膜具有出色的表面形貌。外延关系确定为 κ-Ga2O3 (001) // Al2O3 (0001)，平面关系为 κ-Ga2O3 [010] // Al2O3 [10_10] 和 κ-Ga2O3 [110] // Al2O3 [1_100]。值得注意的是，所制备的薄膜表现出 379″ 的对称摇摆曲线半高宽。HRTEM 和 SAED 的结果证实了薄膜中有序的原子排列。此外，该薄膜在可见光范围内的平均透射率为 70%，光学带隙为 4.72 eV。薄膜的霍尔迁移率为 25 cm2 V−1 s−1，载流子浓度为 3.34×1018 cm−3。全面的表征结果为纯相亚稳态 κ-Ga2O3 薄膜的结构、光学和电学特性提供了关键见解，为未来的器件应用奠定了基础。

图 1 基于 HVPE 的 κ-Ga2O3 薄膜生长示意图。

图 2 （a）在不同温度下生长的 Ga2O3 外延薄膜的 XRD θ–2θ 扫描图谱；（b）2θ=17–21° 区域的放大视图。

图 3（a–b）在 700–800 °C 下生长的 κ-Ga2O3 的截面扫描电子显微镜图像，插图显示相应的俯视图形态；（c–e）在 800–1000 °C 下生长的 β-Ga2O3 的截面扫描电子显微镜图像，插图显示相应的俯视图形态。

图 4 （a）κ-Ga2O3 的晶格结构示意图；（b）κ-Ga2O3 {002} 和 Al2O3{0001} 的 φ 扫描图样；（c）κ-Ga2O3(002) 与 Al2O3(0001) 的晶格匹配图；（d）κ-Ga2O3(002) 的摇摆曲线；（e）κ-Ga2O3(122) 的摇摆曲线；（f）κ-Ga2O3 外延薄膜的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，插图为其对应的选区电子衍射（SAED）图样；（g）κ-Ga2O3 外延薄膜的 HRTEM 图像，插图分别为 R1 和 R2 区域的相应快速傅里叶变换（FFT）图样。