APL丨南京大学叶建东教授团队:m 面非极性 α-Ga₂O₃ 异质外延中的应变转变与镶嵌结构演化

由南京大学叶建东教授团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Strain transition and mosaicity evolution in m-plane nonpolar α-Ga₂O₃ heteroepitaxy（m 面非极性 α-Ga₂O₃ 异质外延中的应变转变与镶嵌结构演化）的文章。

氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体，临界击穿场强超过 8 MV/cm，已成为大功率电子学与深紫外光电子学的重要候选材料。目前研究主要聚焦于热力学稳定的 β 相氧化镓，得益于可获得大尺寸熔体生长衬底；而刚玉结构的 α 相氧化镓（α-Ga₂O₃）与蓝宝石晶体对称性一致，为在蓝宝石上异质外延提供了独特优势。这种相容性使其在存在晶格失配时仍可定向生长，并便于实现全组分 (Al_xGa_1-x)₂O₃与 (In_xGa_1-x)₂O₃合金化以进行禁带宽度调控，还可与 p 型刚玉氧化物集成，构建全氧化物双极型器件。

α 相氧化镓（α-Ga₂O₃）的异质外延受其亚稳特性以及应变弛豫与相变强耦合作用的根本限制。本文采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在 550–790 °C 下于 m 面蓝宝石上制备非极性 α-Ga₂O₃ 薄膜，揭示生长温度驱动的应变演化、晶格镶嵌结构与相稳定性规律。在 550–730 °C 的窄温区内可获得纯相 α-Ga₂O₃；750 °C 以上出现 β 相成核，破坏外延相干性。倒易空间映射表明，温度驱动面外应变由压应变转变为张应变，同时面内压应变持续增大，反映生长机制从相干长度限制向倾斜主导的应变弛豫转变。ψ 依赖摇摆曲线分析显示，在 α 相稳定温区内扭转镶嵌度与穿透位错密度降低，双束透射电镜结果证实了 α→β 相变与畴界应变积累。上述结果建立了温度调控的应变弛豫框架，确定了低缺陷 α-Ga₂O₃ 异质外延的最优生长区间。

• 明确 m 面非极性 α-Ga₂O₃ 纯相生长的温度窗口为 550–730 °C，750 °C 以上发生 α→β 相变。

• 揭示温度驱动面外应变由压应变转为张应变，生长机制从相干限制过渡到位错主导的镶嵌弛豫。

• 在 α 相稳定温区内实现扭转镶嵌度与穿透位错密度显著降低，建立低缺陷外延的温度调控机制。

综上，m 面蓝宝石上非极性 Ga₂O₃ 的异质外延生长受应变弛豫与相稳定性强耦合的约束。550–730 °C 的窄温区可实现纯相 α-Ga₂O₃ 生长，750 °C 以上 β 相成核会破坏外延相干性。在 α 相稳定区间内，生长温度驱动展宽机制从相干长度限制转向位错介导的镶嵌弛豫，表现为扭转镶嵌度降低、穿透位错密度减小。该研究建立了温度调控的应变弛豫机制，确定了低缺陷 α-Ga₂O₃ 异质外延的最优生长条件。

本工作得到国家重点研发计划（No. 2024YFE0205200）、江苏省科技重大专项（Nos. BG2024030、BK20253003）以及国家自然科学基金（Nos. 62425403、62234007、62293522）资助。

图1. (a) 不同温度下在 m 面蓝宝石衬底上生长的 α-Ga₂O₃ 外延层的 XRD 2θ–ω 图谱；(b) 摇摆曲线半高宽随生长温度的变化；(c) 由 XRD 与倒易空间映射偏移提取的应变值。

图2. 分别在 (a) 550 °C、(b) 650 °C、(c) 730 °C、(d) 790 °C 生长的 α-Al₂O₃ 与 α-Ga₂O₃ 薄膜在 (22–40) 衍射峰附近的非对称倒易空间映射图。

图3. (a) 不同温度生长的薄膜在 (31–42)、(21–31)、(22–40) 衍射峰的倒易格点取向角 α_tilt 随倾角 ψ 的变化；(b) 从对称 (30–30)φ 扫描提取的 ψ 依赖半高宽值。

图4. (a) 790 °C 生长外延层的截面透射电镜图；(b) (a) 中红色方框区域的高分辨透射电镜图；由 (b) 得到的几何相位分析应变分布图：(c) 面外分量 ε_zz；(d) 面内分量 ε_xx。

图5. (a) 550 °C 与 730 °C 生长的 α-Ga₂O₃ 薄膜的斜对称摇摆曲线；(b) 对应的半高宽随倾角 ψ 的变化曲线。

图6. 分别在 (a) 550 °C、(b) 730 °C 生长的薄膜在 g=(11–20) 衍射矢量下的双束暗场透射电镜图。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0324678

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