西安理工大学硕士学位论文《AlN衬底上β-Ga₂O₃薄膜的低压化学气相沉积生长及特性研究》学术报告
一、研究作者与机构
本学位论文由西安理工大学硕士生在导师指导下完成，研究得到国家自然科学基金青年基金（项目号：62104190）和西安市科技计划项目（项目号：2023JH-GXRC-0122）资助。
二、学术背景
1. 研究领域
本研究属于宽禁带半导体材料领域，聚焦于超宽禁带半导体β-相氧化镓（β-Ga₂O₃）的异质外延生长技术及其光电性能调控。
2. 研究动机
β-Ga₂O₃因其超宽禁带（4.9 eV）、高击穿场强（8 MV/cm）及优异的巴利加优值（3444），在大功率器件和日盲紫外探测器中具有潜力。然而，其热导率极低（0.23 W/cm·K）制约了实际应用。为解决这一问题，研究选择氮化铝（AlN）作为衬底，因其高热导率（3.4 W/cm·K）和与β-Ga₂O₃（201）晶面仅2.4%的晶格失配率，可显著改善器件热管理性能。
3. 研究目标
- 通过低压化学气相沉积（LPCVD）在AlN衬底上生长高质量β-Ga₂O₃薄膜；
- 系统探究生长温度（750℃）、氩氧比例（200:10）和生长压强（120 Pa）对薄膜晶体质量、光学及电学特性的影响；
- 为β-Ga₂O₃/AlN异质结器件（如HEMT、紫外探测器）提供工艺基础。
三、研究方法与流程
1. 薄膜制备
- 设备与工艺：采用双温区卧式管式炉，以高纯镓（Ga）为源材料，氩气（Ar）为载气，氧气（O₂）为反应气体。
- 反应机制：
- 镓源蒸发与氧气反应生成Ga₂O（式：4Ga + O₂ → 2Ga₂O）；
- Ga₂O进一步氧化生成Ga₂O₃（式：Ga₂O + O₂ → Ga₂O₃）。
- 参数优化：
- 生长温度：700–800℃；
- 氩氧比例：100:10至200:10；
- 生长压强：80–150 Pa。
2. 表征技术
- 晶体结构：X射线衍射（XRD）分析晶相取向，谢乐公式计算晶粒尺寸；
- 表面形貌：扫描电子显微镜（SEM）观察表面粗糙度；
- 组分分析：X射线光电子能谱（XPS）检测氧空位浓度；
- 光学特性：光致发光（PL）光谱测试紫外-绿色发光带（300–570 nm）；
- 电学特性：霍尔效应测试载流子浓度、电阻率和迁移率。
四、主要结果
1. 工艺参数对薄膜质量的影响
- 生长温度：
- 750℃时薄膜结晶性最佳，XRD显示（201）择优取向，晶粒尺寸最大（谢乐公式计算）；
- 温度过高（>800℃）导致晶界缺陷增多，表面粗糙度增加。
- 氩氧比例：
- 200:10时氧空位浓度最低，PL发光强度最高；
- 氧含量过低（<10%）导致非化学计量比，薄膜导电性下降。
- 生长压强：
- 120 Pa时薄膜致密性最佳，SEM显示表面均方根粗糙度（RMS）最小（约3.46 nm）；
- 压强过高（>150 Pa）会抑制气相传输，降低生长速率。
2. 光电性能
- 最佳工艺条件（750℃、200:10、120 Pa）下：
- 载流子浓度：3.31×10¹³ cm⁻³；
- 电阻率：3.43×10³ Ω·cm；
- 迁移率：22.5 cm²/V·s；
- PL光谱显示强紫外发光峰（~300 nm），表明薄膜适合日盲紫外探测应用。
五、结论与价值
- 科学价值：
- 首次通过LPCVD在AlN衬底上实现β-Ga₂O₃异质外延生长，验证了AlN衬底对热导率瓶颈的改善潜力；
- 明确了工艺参数与薄膜性能的定量关系，为后续器件设计提供理论依据。
- 应用价值：
- β-Ga₂O₃/AlN异质结可应用于高电子迁移率晶体管（HEMT）和自供电紫外探测器；
- 低成本LPCVD工艺适合规模化生产。
六、研究亮点
- 创新方法：结合LPCVD与AlN衬底，解决了β-Ga₂O₃热导率低的难题；
- 工艺突破：通过多参数协同优化，获得高结晶度、低氧空位的薄膜；
- 跨学科意义：为宽禁带半导体异质结的能带工程（Ⅱ型能带对齐）提供新案例。
七、其他价值
研究还指出β-Ga₂O₃/AlN界面可能存在原子重构层（AlₓNᵧO），有助于释放应力，这一发现可通过高分辨透射电镜（HRTEM）进一步验证。