金刚石上的射频溅射氧化镓

研究团队报告了“利用射频磁控溅射在单晶金刚石（111）晶圆上异质外延生长β-Ga2O3薄膜的首次成果”[Takafumi Kusaba et al, Applied Physics Express, v16, p105503, 2023]，该团队的研究人员大多来自日本。虽然β-Ga2O3是一种很有前景的新材料，可用于极端条件下的电子设备，但其热导率较低。在高热导率单晶金刚石（SCD）上生长Ga2O3可使器件进行自主热管理。

研究团队包括日本九州大学、国立先进工业科技研究所（AIST）、九州工业大学的研究人员，以及一名来自埃及阿斯旺大学和日本-埃及科技合作中心（E-JUST Center）的研究人员。

研究人员认为，他们的研究工作有助于“进一步研究可扩展的β-Ga2O3/金刚石异质结构，以用于未来的电子应用和光电应用，而这些应用不仅具有高性能，而且具有良好的自主热管理”。

β-Ga2O3的一些材料特性有望实现上述两点，其带隙较宽（4.5-4.9eV）、击穿场强较高（约8MV/cm）、能抗化学损伤、能承受高强度辐射和热应力。其热导率在10-30W/m-K之间，而金刚石的热导率约为2000W/m-K。

β-Ga2O3/金刚石异质结构组合拥有另一个吸引人的可能性，即金刚石与硼可轻松进行p型掺杂，因为目前还没有排列p型Ga2O3的可行方法，而Ga2O3本身是n型的。

先前曾报告过在金刚石上进行β-Ga2O3的范德华和晶圆键合等技术，但未报告过射频溅射等直接生长工艺。直接生长法往往更受青睐，因为其制造过程可扩展且成本较低。

图1：（a）单晶金刚石（111）上生长的射频溅射β-Ga2O3薄膜结构图，以及Ga2O3/金刚石界面上氧原子和碳原子之间的预期原子键合。（b）所生长薄膜的厚度与衬底温度之间的关系。（c、d）分别使用2θ-θ和2θ扫描模式的X射线衍射（XRD）图。（e）600°C和700°C下所生长样品的X射线衍射摇摆曲线（-201）峰值。

使用日本住友公司生产的商用未掺杂Ga2O3靶件和Ib型（111）单晶金刚石衬底进行射频磁控溅射（RFMS）（图1）。射频磁控溅射的生长压力为1.5x10-1Pa。腔室内的气体为不含氧的氩气流。射频功率为50W，沉积时间为48小时。β-Ga2O3在金属掩膜界定的圆形区域内生长。

虽然衬底温度较高时（700°C材料厚度315nm），Ga2O3晶体的生长速度明显减慢，但温度较低时，Ga2O3晶体的品质却有所下降。事实上，根据X射线衍射分析，400°C时，材料似乎为非晶质。500°C样品包含混合的β相Ga2O3和γ相Ga2O3。600°C和700°C薄膜为未混合的β-Ga2O3。不过，600°C材料是多晶体，具有多种不同的平面取向。700°C样品主要呈（-201）取向，其摇摆曲线峰值明显较窄，半高全宽（FWHM）值为3.0°，相比之下，600°C材料的半高全宽值为4.1°。

研究人员评论道：“衬底温度较高可促进Ga2O3的β相结晶，降低金刚石的表面能，从而刺激金刚石阶层上原子迁移的流动性，提高逐层生长的能力。”

根据极图X射线衍射分析，金刚石（111）和β-Ga2O3（-201）之间的晶格失配为-1.6-2.2%，堪比β-Ga2O3/蓝宝石（1.7-4.8%）。

研究团队对极图分析进一步评论道：“发现了（-202）和（002）两个独特平面，这两个平面为（-201）β-Ga2O3纹理，与含六个不同面内旋转域的（111）金刚石纹理相当。”

对样品表面进行扫描电子显微镜检查（图2），结果显示，700°C下生长的薄膜表面出现了山状晶体。研究团队解释说：“这些表面结构可能表明，β-Ga2O3薄膜是通过岛状与层状混和生长模式（Stranski–Krastanov growth mode）在单晶金刚石（111）衬底上生长的，即生长早期阶段为二维（2D）模式，但所生长薄膜超过临界厚度时，就会转变为三维（3D）岛状生长。要使单晶金刚石（111）上生长的β-Ga2O3薄膜表面进一步平坦化，就需要优化薄膜厚度。”

图2：衬底温度不同时，所生长薄膜的扫描电子显微镜（SEM）俯视图：（a）400°C，（b）500°C，（c）600°C，（d）700°C。小图：（d）岛状与层状混和生长模式下所生长薄膜的结构图。

研究人员还利用X射线光电子能谱（XPS）测定了不同生长温度下薄膜中的元素比例。700°C时所生长样品的O/Ga比率为1.31，在所有样品的O/Ga比率中，最接近理想状态下Ga2O3的O/Ga比率（1.5）。其他温度下O/Ga比率均低于1.16。

研究团队评论道：“总的来说，X射线光电子能谱的结果表明，通过溅射进行高衬底温度沉积可有效抑制氧缺陷的产生，且衬底温度为700°C时，可在单晶金刚石（111）衬底上生长原子成分可接受的β-Ga2O3薄膜。”

来源： 雅时化合物半导体

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