本文发表于《Journal of Alloys and Compounds》期刊，论文在线发表日期为2025年11月3日。研究的主要作者是西安电子科技大学宽带隙半导体技术及器件集成国家重点实验室（State Key Laboratory of Wide-Bandgap Semiconductor Devices and Integrated Technology, Xidian University）的Yufei Chen（陈宇飞），通讯作者为同一实验室的Jing Ning（宁靖）教授和Jincheng Zhang（张进成）教授。研究团队还包括来自西安电子科技大学-芜湖研究院（Xidian-Wuhu Research Institute）以及陕西石墨烯联合重点实验室（Shaanxi Joint Key Laboratory of Graphene）的多位合作者。
这项研究聚焦于超宽禁带半导体材料领域，具体针对氧化镓（Ga2O3）的一种亚稳态晶相——ε-Ga2O3。氧化镓因其优异的热稳定性、光学与电学性能，在光电子器件、高功率电子器件和射频（RF）谐振器等领域展现出巨大潜力。它存在多种晶相（多晶型），包括α、β、γ、δ、ε和κ相。其中，β相最稳定，而ε相因其特有的自发极化和较高的晶格对称性，被认为是制备高性能超宽禁带电子器件和压电器件的理想候选材料。然而，ε-Ga2O3是一种亚稳态结构，在薄膜生长过程中极易与其他相（尤其是α相）混合形成杂相，难以获得纯净的单相薄膜。这一挑战源于相互竞争的成核路径和多晶取向竞争，导致结构缺陷，从而严重影响了材料本征性能（如高电子迁移率、高击穿电压）的发挥和器件性能的提升。传统的薄膜制备方法，如金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、卤化物气相外延（HVPE）等，在生长高质量单相ε-Ga2O3方面存在困难。雾化学气相沉积（mist-CVD）方法因其前驱体选择多样、操作简单、成本低廉等优点，在α-Ga2O3外延生长中广泛应用，并展现出制备ε-Ga2O3的潜力，但在c面蓝宝石（c-sapphire）衬底上生长的ε-Ga2O3薄膜通常为α-ε混合相。因此，如何精确控制生长过程，实现从混合相到单一ε相的转变，并理解其中的相变机制，是本领域亟待解决的关键科学问题。基于此，本研究的主要目标是开发一种可调控的相稳定优化策略，用于在c面蓝宝石衬底上通过mist-CVD方法实现高质量、单相ε-Ga2O3的外延生长，并深入探究生长参数（温度、氧气分压）对相变过程、微观结构、缺陷和表面形貌的影响机制，最终通过制备表面声波（Surface Acoustic Wave, SAW）器件验证所得薄膜的功能性。
研究的详细工作流程主要分为以下几个相互关联的阶段：薄膜生长与参数优化、结构表征与性能分析、以及器件制备与测试。首先，研究采用mist-CVD方法在c面蓝宝石衬底上进行Ga2O3薄膜的外延生长。以乙酰丙酮镓（Gallium acetylacetonate）为镓源前驱体，使用氧气作为载气，氩气作为稀释气体，并通过1.7 MHz的超声波雾化器将前驱体溶液转化为微小液滴输送到生长衬底上。本研究的核心创新在于实施了一套“可调控的相稳定优化”方案，其本质是同时精确调控两个关键生长参数——生长温度和氧气分压（O2 partial pressure）。为此，研究者设计并进行了系统的参数扫描实验：生长温度范围设定在560°C至640°C之间，氧气分压范围设定在200标准立方厘米每分钟（sccm）至1000 sccm之间。通过这种组合实验，能够全面探究热力学（温度）和动力学（氧气分压）因素对相演变和晶体质量的协同调控作用。在每一个生长条件下制备的薄膜样品，都作为后续深入表征和分析的研究对象。
第二阶段是对生长出的薄膜进行多层次、全方位的表征，以评估其晶体结构、相纯度、微观结构、化学成分、表面形貌和缺陷状态。表征手段多样且互补：1) X射线衍射（XRD）：用于分析薄膜的晶体结构、相组成和结晶质量。研究采用了2θ扫描模式，扫描范围10°至80°，并特别关注了ε-Ga2O3的（002）、（004）、（006）衍射峰以及α-Ga2O3的（006）衍射峰的出现与消失。通过测量特征峰的半高宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）来评估结晶性，并通过摇摆曲线（rocking curve）测量来评估外延薄膜的面外取向一致性（mosaicity）。2) 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）：用于在原子尺度上观察薄膜的横截面微观结构，特别是薄膜与衬底之间的界面结构、晶格排列、应变状态以及相变区域的详细信息。结合选区电子衍射（FFT）和STEM-能量色散X射线光谱（EDX）元素映射，确认了外延关系和各元素的空间分布。3) 扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）：SEM用于观察薄膜的表面形貌和横截面厚度；AFM用于定量测量薄膜的表面粗糙度，以均方根粗糙度（RMS roughness）表示，计算区域为5μm × 5μm和10μm × 10μm，以确保数据一致性。4) X射线光电子能谱（XPS）：用于分析薄膜表面的化学组成和化学态，特别是通过解卷积Ga 2p和O 1s谱峰，研究不同氧气分压下氧空位（oxygen vacancy）浓度的变化趋势，建立了生长条件与点缺陷之间的关联。所有表征数据的分析均遵循标准程序，例如使用Nanoscope Analysis软件分析AFM数据，通过峰拟合分析XPS数据，并对XRD数据进行标定和强度对比。
研究的主要结果丰富而系统地揭示了相稳定优化的机制和效果。首先，HRTEM和STEM分析揭示了一个关键的微观结构特征：在薄膜生长的初始阶段，存在一个“多晶取向竞争层”。靠近衬底界面处，由于晶格失配和局部应变，原子排列呈现部分无序。随着薄膜增厚，界面应变逐渐弛豫，原子排列趋于有序。在这个竞争层内，可以观察到不同取向的晶格条纹共存，这对应着ε相不同变体或α相包裹体的竞争。这一发现直接表明了相纯度的控制需要在界面处就开始进行。
其次，温度调控实验的结果明确了单一ε相生长的最佳热力学窗口。当固定氧气分压为600 sccm时，XRD结果表明，随着温度从560°C升高到620°C，α-Ga2O3（006）衍射峰的强度逐渐减弱直至完全消失，同时ε相衍射峰增强。在620°C时，仅检测到ε-Ga2O3的衍射峰，表明成功实现了从α-ε混合相到单一ε相的转变。AFM结果显示，随着温度升高至620°C，薄膜表面粗糙度（RMS）从560°C时的4.54 nm显著降低至1.83 nm（5μm扫描）和2.67 nm（10μm扫描），表明晶体质量和表面平整度得到极大改善。然而，当温度进一步升高至640°C时，XRD中出现了β-Ga2O3的衍射峰，且表面粗糙度急剧恶化至62.9 nm。这表明ε相仅在特定的温度窗口（620°C附近）稳定，温度过低导致混合相和粗糙表面，温度过高则促使热力学更稳定的β相成核并破坏表面形貌。这一结果逻辑上引导了下一阶段的研究：在最佳温度下，进一步通过氧气分压调控生长动力学。
第三，氧气分压调控实验揭示了其对相选择、结晶质量和生长动力学的精细影响。固定生长温度为620°C，系统改变氧气分压。XRD结果显示，在氧气分压为600 sccm时，薄膜呈现完美的单一ε相，且ε（002）、（004）、（006）峰的半高宽达到最小，表明结晶质量最高。（002）峰的摇摆曲线半高宽仅为0.75°，证明了出色的面外取向一致性。当氧气分压低于600 sccm或高于600 sccm时，都会出现α相甚至β相的衍射峰。这表明存在一个狭窄的氧气分压最优区间（500-600 sccm）以实现ε相的稳定。SEM和AFM结果表明，在500 sccm时薄膜表面最平整，RMS粗糙度达到惊人的0.75 nm。同时，研究发现随着氧气分压增加，薄膜的生长速率下降、厚度减薄。这归因于更高的氧气浓度增加了气相中Ga-O碰撞频率，降低了Ga原子的动能和表面迁移率，从而抑制了生长速率，但有利于原子沿特定晶面有序排列和垂直生长。
第四，XPS分析建立了氧气分压与点缺陷（氧空位）之间的直接联系。通过对O 1s谱峰的解卷积，可以区分晶格氧（Oi）、缺氧区氧（Oii，与氧空位相关）和表面羟基（-OH）。数据分析发现，Oii/Oi的比值随氧气分压的变化呈现先升后降的趋势，在中等压力下（约400 sccm）出现峰值，而在最优生长条件（600 sccm）下该比值较低。同时，Ga 2p3/2峰的强度变化趋势与之吻合。这表明，在较低的氧气分压下，氧化学势不足，导致薄膜中形成较多氧空位；随着氧气分压增加至最优值，氧空位被有效填充，缺陷密度降低；但过高的氧气分压可能通过其他机制（如降低吸附原子迁移率）影响质量。这部分结果将生长动力学调控与材料的本征缺陷联系起来，为理解相稳定性的微观机制提供了化学键合层面的证据。
最后，为了验证通过相稳定优化获得的单相ε-Ga2O3薄膜的实际功能性，研究团队设计并制备了基于该薄膜的表面声波（SAW）谐振器。器件采用单端口设计，叉指换能器（IDT）的波长为2.4 μm。对器件S11参数的测试结果显示，在1.5-2 GHz频率范围内出现了强烈的声学谐振峰，中心频率为1.69 GHz。计算得到有效机电耦合系数（Keff2）为0.328%。这一性能明显优于基于混合相或其他Ga2O3多晶型薄膜制备的器件（后者几乎观测不到谐振峰）。SEM图像显示电极与薄膜表面结合良好，无脱层问题。这一结果至关重要，它不仅直接证明了ε-Ga2O3薄膜具有压电特性，更验证了本研究开发的相稳定优化方法能够制备出具备实用器件性能的高质量材料，将基础材料研究与器件应用紧密相连。
本研究的结论是，通过系统调控生长温度和氧气分压，成功开发了一种界面介导的、可调控的相稳定优化策略，用于在c面蓝宝石衬底上通过mist-CVD方法实现高质量单相ε-Ga2O3的外延生长。该策略通过界面热力学和动力学控制，有效抑制了杂相形成和随机原子迁移，促进了单一ε相的稳定。最终获得的ε-Ga2O3薄膜表现出优异的结晶质量（XRD摇摆曲线半高宽低至0.073°）和原子级平整的表面（RMS粗糙度0.75 nm）。所制备的SAW器件展现出良好的高频谐振性能和机电耦合系数，证明了该材料在压电和射频器件中的应用潜力。这项工作的科学价值在于深入揭示了mist-CVD生长ε-Ga2O3过程中相变的微观机制，明确了温度和氧气分压的协同作用对相纯度、缺陷和形貌的影响规律，为超宽禁带氧化物半导体的可控外延提供了可重复且对界面敏感的技术路径。其应用价值在于为基于ε-Ga2O3的下一代高频、高功率电子和压电器件的开发奠定了坚实的材料基础。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：1）重要发现：首次在mist-CVD生长的ε-Ga2O3薄膜中明确识别并阐述了“多晶取向竞争层”的存在及其在相选择过程中的关键作用。发现了实现单相ε-Ga2O3的精确温度-氧气分压协同窗口。2）方法新颖性：提出了“可调控的相稳定优化”这一概念和方法，将传统的单参数优化发展为热力学（温度）与动力学（氧气分压）参数的同时精准调控，实现了对相变过程从界面到体材料的全过程控制。3）研究系统性：从材料生长、结构/成分/形貌表征到器件制备与测试，形成了完整的研究闭环。特别是将XPS分析的氧空位浓度变化与生长参数、晶体质量相关联，深化了对性能调控机制的理解。4）应用导向明确：不仅停留在材料表征，还成功制备了SAW器件并测试其性能，直接将材料质量提升转化为可量化的器件性能指标，有力证明了研究成果的实用价值。此外，研究还通过对比指出，在非取向的c面蓝宝石衬底上获得的薄膜质量，其结晶性指标（FWHM）甚至优于部分文献报道的在晶格匹配衬底（如GaN）上通过MOCVD等方法生长的薄膜，这凸显了本优化策略的有效性和mist-CVD技术在成本与灵活性方面的优势。