本研究由Xiao Tang、Kuang-Hui Li、Che-Hao Liao、Dongxing Zheng、Chen Liu、Rongyu Lin、Na Xiao、Shibin Krishna、Jose Tauboada及Xiaohang Li共同完成。这些作者主要来自位于沙特阿拉伯图瓦尔的阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）的先进半导体实验室及物理科学与工程学部。该项研究成果以题为《面向异质集成的β-Ga2O3 (‾201)薄膜在四重对称CeO2 (001)衬底上的外延生长》（Epitaxial growth of β-Ga2O3 (‾201) thin film on four-fold symmetry CeO2 (001) substrate for heterogeneous integrations）的形式，于2021年发表在《Journal of Materials Chemistry C》期刊的第9卷第15868-15876页上。
学术背景
本研究属于宽禁带半导体材料与薄膜外延生长领域。β相氧化镓（β-Ga2O3）作为一种新兴的超宽禁带半导体材料，因其约4.9 eV的直接带隙、高击穿场强、良好的化学与热稳定性，在深紫外光探测器、气体传感器、高功率电子器件等领域展现出巨大应用潜力。然而，高质量β-Ga2O3薄膜的制备高度依赖于合适的单晶衬底。传统的异质外延生长主要采用六重对称性（six-fold symmetry）的衬底，如蓝宝石（α-Al2O3）(0001)面、3C-SiC (001)面或本征的β-Ga2O3单晶衬底。后两者成本高昂，而蓝宝石衬底虽然成本相对较低，但其六重对称性限制了与具有四重对称性的立方相功能材料（如许多p型半导体、铁电体、超导体）进行异质集成，从而难以构建新颖的多功能异质结器件。
另一方面，四重对称性的立方相(001)取向衬底，例如氧化铈（CeO2）、氧化钇稳定氧化锆（YSZ）、氧化镁（MgO）、钛酸锶（SrTiO3）等，被广泛用于生长各种立方相功能薄膜。特别是，通过离子束辅助沉积等技术，可以在柔性衬底上外延生长高质量的CeO2等立方相薄膜，这为开发柔性宽禁带半导体器件提供了可能。然而，在此之前，具有六重对称性的β-Ga2O3 (‾201)晶面与四重对称性的立方相(001)晶面之间的外延关系尚未见报道。构建这种“六重对四重”的外延关系，对于将β-Ga2O3与立方相功能材料结合、开辟新的器件物理与集成路径具有关键的科学意义和应用价值。
因此，本研究旨在探索并实现β-Ga2O3薄膜在四重对称性立方相CeO2 (001)衬底上的外延生长，阐明其外延关系与界面特性，评估薄膜的结晶质量，并通过制造光电器件来验证其性能，最终证明CeO2 (001)作为一种新型外延模板用于构建β-Ga2O3基异质结的可行性。
详细研究流程
本研究遵循了从材料生长、结构表征、物性测量到器件制备与性能评估的完整流程，具体可分为以下主要步骤：
步骤一：薄膜制备与初始表征 研究采用脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition, PLD）技术在CeO2 (001)/YSZ复合衬底上生长β-Ga2O3薄膜。作为对比，使用相同的PLD工艺参数，在传统的蓝宝石(0001)衬底和多晶硅（poly-Si）衬底上也沉积了β-Ga2O3薄膜。生长后，首先使用X射线衍射（XRD）进行2θ-ω扫描，以确定薄膜的物相、晶体结构和择优取向。同时，对特征衍射峰进行摇摆曲线（rocking curve）测量，以评估薄膜的结晶质量（半高宽FWHM）和晶体质量。利用原子力显微镜（AFM）观察了CeO2/YSZ衬底和生长β-Ga2O3薄膜后的表面形貌与粗糙度。
步骤二：晶体取向与界面关系研究 为了深入探究β-Ga2O3 (‾201)面与CeO2 (001)面之间的外延取向关系，研究进行了极图（Pole Figure）测量。通过选择特定的衍射晶面，分析了薄膜在三维空间中的晶体取向分布。这是揭示“六重对称”薄膜在“四重对称”衬底上如何排列的关键实验。此外，利用扫描电子显微镜（SEM）观察了薄膜的表面宏观结构，并通过高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）结合快速傅里叶变换（FFT）对薄膜/衬底的横截面界面进行了微观结构分析，直接观察了界面原子排列和结晶质量，并测量了晶面间距。
步骤三：能带对齐与界面电子结构表征 为了理解异质结的电子输运特性，研究采用高分辨率X射线光电子能谱（HR-XPS）测量了β-Ga2O3/CeO2异质结的能带偏移。具体测定了β-Ga2O3和CeO2各自体内以及异质结界面处的Ga 2p和Ce 3d核心能级结合能、价带顶（VBM）。结合紫外-可见光谱（UV-Vis）测量的两种材料的光学带隙，使用标准公式计算了异质结界面的价带偏移（VBO）和导带偏移（CBO），从而确定了异质结的类型。
步骤四：器件制备与光电性能评估 为了验证在CeO2上外延生长的β-Ga2O3薄膜的实际器件性能，研究将三种衬底（CeO2/YSZ, 蓝宝石, 多晶硅）上生长的β-Ga2O3薄膜制成了金属-半导体-金属（MSM）结构的深紫外光电探测器（PD）。通过磁控溅射沉积了Ti/Au欧姆接触电极。随后，系统测试和比较了这些探测器的光电性能，包括：暗态和光照（250 nm）下的电流-电压（I-V）特性、波长相关的响应度（Responsivity）、在固定偏压和周期性光照下的瞬态光电流响应（响应/衰减时间）。此外，研究还使用Silvaco Atlas TCAD软件对基于CeO2衬底的β-Ga2O3 PD的光谱响应进行了二维仿真，以辅助理解实验结果。
步骤五：数据分析与机理探讨 对以上所有实验数据进行了综合分析。XRD和极图数据用于建立外延模型；AFM、TEM结果关联了薄膜形貌与晶体质量；XPS和UV-Vis数据导出了能带排列图；光电测试数据则直接反映了薄膜质量对器件性能的影响。研究进一步将不同衬底上薄膜的生长模式（外延单晶、外延双畴、多晶）与器件性能（光电流、暗电流、响应速度、光谱选择性）之间的关联进行了深入讨论，从缺陷、晶界、载流子输运等角度解释了性能差异的根本原因。
主要研究结果
1. 薄膜的晶体质量与独特外延关系： XRD 2θ-ω扫描结果显示，在CeO2/YSZ衬底上生长的Ga2O3薄膜显示出纯的β相，并且与蓝宝石衬底上的薄膜一样，具有强烈的(‾201)择优取向，未出现代表随机取向的(‾401)杂峰，表明高结晶质量。摇摆曲线测量显示，β-Ga2O3 (‾201)在CeO2上的半高宽为3.02°，略大于在蓝宝石上的2.33°，但远优于多晶硅衬底上的多晶薄膜，证实了CeO2上高质量的外延生长。 最关键的发现来自于极图分析。不同于在六重对称蓝宝石衬底上观察到的六重对称极图，在CeO2上生长的β-Ga2O3薄膜，其(‾401)晶面显示出十二重对称的极图。这被解释为在薄膜平面内形成了两套相互旋转90°的“类六边形”原子框架（即“双畴”结构）。研究据此推导出确切的外延关系：面外方向为 CeO2 [001] // β-Ga2O3 [‾201]；面内方向为 CeO2 [100] // β-Ga2O3 [010] 以及 CeO2 [010] // β-Ga2O3 [010]。HR-TEM横截面图像和FFT图谱直接证实了界面清晰、结晶质量高，β-Ga2O3 (‾201)面的晶面间距测量为0.496 nm。
2. 异质结能带结构： HR-XPS结合UV-Vis测量数据计算得出，β-Ga2O3/CeO2异质结的价带偏移（VBO）为1.63 eV，导带偏移（CBO）为0.18 eV。这种“交错型”的能带排列表明该异质结属于II型异质结。这为基于该异质结的特定光电或电子器件设计提供了重要的物理参数。
3. 光电探测器性能： 器件测试结果有力证明了在CeO2上外延生长的β-Ga2O3薄膜具有优异的性能。基于CeO2衬底的PD展现出与基于蓝宝石衬底的PD高度相似的关键光电特性：在250 nm光照下具有高的光电流（~0.18 mA @ 5 V）、低的暗电流（~5 nA）、高的紫外/可见响应度比（R250nm/R600nm ≈ 30）以及快速的响应/衰减时间（上升时间~0.48 s，衰减时间~0.78 s）。相比之下，基于多晶硅衬底（多晶β-Ga2O3薄膜）的PD性能显著较差：光电流更低、暗电流高出几个数量级、光谱选择性差（R250nm/R600nm ≈ 1.6）且响应极其缓慢（衰减时间长达455秒）。TCAD仿真结果与实验测量吻合良好。 性能对比清晰地表明，尽管在CeO2上生长的β-Ga2O3薄膜存在面内双畴结构（由四重对称衬底诱导），但其结晶质量足以将体缺陷和悬键密度控制在很低水平，因此器件性能未受显著影响，与在传统蓝宝石衬底上获得的单畴外延薄膜相当。而多晶薄膜中大量的晶界和缺陷导致了严重的载流子陷阱和较高的本征载流子浓度，从而恶化了所有器件参数。
结论与意义
本研究成功地在四重对称的立方相CeO2 (001)衬底上实现了高质量β-Ga2O3 (‾201)薄膜的外延生长，并系统地表征了其结构、界面和光电性能。研究阐明了由衬底对称性差异导致的独特“双畴”外延关系，测量并确定了异质结的II型能带排列，并通过高性能深紫外光电探测器的制备，充分证明了此种异质结体系的实用化潜力。
科学价值： 1. 突破了传统外延对称性匹配的限制：首次实现了六重对称性的β-Ga2O3 (‾201)晶面在四重对称性立方相(001)晶面上的外延生长，揭示了在此类“非六重对称”衬底上的晶格适配机制和双畴形成原理，丰富了半导体异质外延的理论与实践。 2. 开辟了新的异质集成路径：这项工作为将β-Ga2O3与一系列重要的立方相功能材料（如p型半导体NiO、铁电体PbZrO3/BaTiO3、超导体YBa2Cu3O7-δ等）进行异质集成铺平了道路，为构建新型多功能器件（如异质结双极晶体管、铁电调控晶体管、超导-半导体混合器件等）提供了材料基础。 3. 提供了关键界面物理参数：精确测定了β-Ga2O3/CeO2异质结的能带偏移值，这是设计和模拟基于该异质结的电子与光电器件不可或缺的基础数据。
应用价值： 1. 提供了一种高质量β-Ga2O3薄膜的替代生长方案：CeO2作为一种可行的外延模板，为β-Ga2O3器件制备提供了除蓝宝石和昂贵同质衬底之外的新选择。 2. 与柔性电子技术兼容的潜力：由于CeO2等立方相缓冲层可以通过IBAD技术在柔性金属衬底上外延生长，本研究展示的异质外延关系使得在柔性衬底上制备高性能β-Ga2O3基柔性深紫外光电器件成为可能，拓展了其应用场景。 3. 展示了高性能器件实现的可行性：基于β-Ga2O3/CeO2异质结的光电探测器性能与主流技术相当，直接证明了该材料体系在制备各种半导体器件（不限于光探测器）方面的能力。
研究亮点
本研究是一项在宽禁带半导体异质集成领域具有显著原创性和重要应用潜力的工作，为下一代高性能、多功能半导体器件的发展提供了新的材料平台和设计思路。