近日，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院葉建東教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Applied Physics Letters》發(fā)表最新研究論文，聚焦m面非極性 α-Ga?O?異質(zhì)外延中的應(yīng)變轉(zhuǎn)變與鑲嵌結(jié)構(gòu)演化，系統(tǒng)揭示超寬禁帶半導(dǎo)體α-Ga?O?薄膜生長(zhǎng)的核心物理機(jī)制，為高質(zhì)量氧化鎵功率器件與光電器件的國(guó)產(chǎn)化制備提供關(guān)鍵理論與技術(shù)支撐。

氧化鎵（Ga?O?）作為第四代超寬禁帶半導(dǎo)體核心材料，其中剛玉結(jié)構(gòu)的α-Ga?O?具有約5.3eV 的超寬帶隙與優(yōu)異的理論擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在高壓功率電子、日盲紫外探測(cè)等領(lǐng)域具備不可替代的應(yīng)用價(jià)值。但α-Ga?O?為亞穩(wěn)相，異質(zhì)外延過程中易因晶格失配與熱膨脹差異產(chǎn)生應(yīng)變累積、晶體缺陷及相轉(zhuǎn)變，且m面非極性襯底的生長(zhǎng)機(jī)制長(zhǎng)期缺乏系統(tǒng)解析，成為制約其產(chǎn)業(yè)化的核心瓶頸。
此次研究中，團(tuán)隊(duì)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，在m面藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量非極性α-Ga?O?薄膜的可控外延生長(zhǎng)。

通過高分辨率X射線衍射、透射電子顯微鏡等多尺度表征手段，首次完整闡明薄膜生長(zhǎng)全過程的應(yīng)變轉(zhuǎn)變規(guī)律與鑲嵌結(jié)構(gòu)演化機(jī)制：明確初始生長(zhǎng)階段的拉伸應(yīng)變隨厚度增加逐步向壓縮應(yīng)變轉(zhuǎn)變的臨界節(jié)點(diǎn)，揭示應(yīng)變競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)對(duì)晶體取向、缺陷密度及表面形貌的調(diào)控作用；同時(shí)發(fā)現(xiàn) m 面襯底可有效抑制極性疇與位錯(cuò)增殖，獲得原子級(jí)平整表面（粗糙度低至0.365nm）與低缺陷密度的純相α-Ga?O?薄膜，驗(yàn)證了m面襯底在非極性氧化鎵外延中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

該研究的核心突破在于定量建立應(yīng)變 – 結(jié)構(gòu) – 性能的關(guān)聯(lián)模型，為α-Ga?O?異質(zhì)外延的參數(shù)優(yōu)化提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，基于該機(jī)制調(diào)控的α-Ga?O?薄膜，其晶體質(zhì)量（X射線搖擺曲線半峰全寬低至0.39°）與電學(xué)性能均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可直接支撐高壓晶體管、日盲紫外探測(cè)器等高端器件的研發(fā)。

葉建東教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕氧化物半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域，在氧化鎵外延技術(shù)、缺陷調(diào)控及異質(zhì)集成等方面成果豐碩，先后承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，相關(guān)成果已在《ACS Nano》《Applied Physics Letters》等頂級(jí)期刊發(fā)表。

（集邦化合物半導(dǎo)體整理）

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