可通过组分调节的(AlxGa1-x)2O3超宽带隙多层结构

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Compositionally tunable (AlxGa1-x)2O3 ultra-wide-bandgap multilayers

多层溅射沉积策略有效提升Al-Ga-O薄膜中铝含量，解决传统共溅射工艺的等离子体不稳定和靶材氧化问题，使光学带隙宽度增加至6 eV以上，同时保持优异结晶质量。

　　

作者列表：余澈浩（Yu-Che Ho）、卡罗琳·奥蒙德（Caroline Ormond）、沙赫里亚尔·莫斯图法（Shahriar Mostufa）、马修·加迪（Matthew Gaddy）、弗拉基米尔·库里亚特科夫（Vladimir Kuryatkov）、吴凯（Kai Wu）、斯蒂芬·贝恩（Stephen Bayne）、阮休·P.T.（Hieu P.T. Nguyen）、艾尔顿·A. 伯努西（Ayrton A. Bernussi） 研究机构：德克萨斯理工大学纳米技术中心（Nanotech Center, Texas Tech University），地址：美国德克萨斯州卢博克市百老汇大街2500号（2500 Broadway, Lubbock, TX 79409）

摘要

氧化镓（Ga?O?，简称GO）和铝镓氧化物（Al?Ga???)?O?，简称AGO），是用于深紫外（deep-UV）光电子学和高功率电子应用领域的有前景的半导体氧化物。尽管最近通过不同的沉积技术尝试制备了超宽带隙的AGO薄膜，但高铝含量的β型AGO薄膜仍然是一个挑战。在这项研究中，我们引入了一种多层溅射沉积策略，在GO或AGO层之间周期性插入纯铝层。这种可控的铝元素堆叠方法有效提高了AGO中的铝含量，并使其光学带隙相较于均匀结构的AGO有所增加。多层沉积技术允许调节铝的组成，并提供了一种替代传统共溅射方法的方式，以获得超宽带隙的富铝AGO薄膜。

引言

近年来，氧化镓（Ga?O?，简称GO）作为一种超宽带隙半导体，在深紫外（DUV）光电子学和高功率电子学领域受到了广泛关注[[1], [2], [3], [4]]。Ga?O?的单斜β相具有约4.8 eV的带隙能量、高场强、高击穿电压、在高温下的优异稳定性以及耐恶劣环境的能力，使其成为高压晶体管、透明导电层和太阳盲光电探测器（SBPD）的理想材料[[5,6]]。通过引入铝元素，GO的带隙能量可以进一步增加（>6 eV[[7], [8], [9]]，从而形成铝镓氧化物（Al?Ga???)?O?，这种材料有望具有更高的场强和击穿电压，并可用于制备带隙可调的DUV-SBPD[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。 制备AGO薄膜的常用方法是共溅射Ga?O?和Al靶材[[17], [18], [19], [20], [21]]。然而，实际可获得的铝含量常常受到溅射系统固有条件的限制，尤其是向Al靶材提供高直流功率时容易引发等离子体不稳定或靶材氧化问题。虽然增加直流功率可以提高AGO层中的铝含量进而增加带隙，但在含氧环境中沉积时可能会进一步导致靶材氧化，从而降低沉积速率的稳定性，并在AGO中引入不必要的相或与氧相关的缺陷，影响薄膜质量[[22,23]]。 为了解决这个问题，我们提出了一种周期性多层溅射沉积策略，能够在不使用过高铝溅射功率的情况下实现可控的铝元素掺入。通过制备Al/AGO/Al和Al/GO/Al多层结构，我们证明了这种多层方法能有效提高AGO薄膜中的铝浓度。

多层沉积方法

多层生长过程如图1所示。在生长过程中，分别保持对GO和Al靶材施加的射频（RF）和直流（DC）功率恒定；同时定期开关靶材的气动快门。对于Al/AGO/Al多层结构，整个生长过程中Al源的快门保持开启状态，而GO源的快门则周期性开启和关闭（见图1(a)）。

实验细节

作为参考的均匀AGO薄膜，以及Al/AGO/Al和Al/GO/Al多层薄膜，是在c面取向的蓝宝石基底上使用Kurt J. Lesker-PVD75溅射沉积系统制备的。使用的靶材为高纯度（99.99%）的2英寸直径陶瓷Ga?O?和Al靶材（99.999%）。沉积前，腔室压力为10?? Torr；工作压力固定为3 × 10?3 Torr，所有样品的沉积过程中气体流动比为O?/(O? + Ar) = 8%，基底温度也进行了相应设置。

实验结果

如图2(a)所示，晶体样品的衍射图谱在18.8°、37.9°和58.8°处出现三个明显峰，分别对应于单斜β相的（201）、（402）和（603）晶面，说明在扫描范围内未观察到其他AGO相的衍射峰。在2θ ≈ 38°和2θ ≈ 80°处出现的非常窄的XRD峰可能是由仪器误差或基底/辐射效应引起的。

结论

本研究开发并系统研究了多层溅射沉积策略，以增加AGO薄膜中的铝含量，从而提高其光学带隙。研究了两种周期性多层沉积结构：Al/AGO/Al和Al/GO/Al。这两种结构的晶体质量和形态与均匀GO和AGO薄膜相当。XPS分析证实，随着铝含量的增加，Al含量也呈现出系统性增长。

作者贡献声明

- 余澈浩（Yu-Che Ho）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、项目管理、方法论设计、实验实施、数据分析、概念构建。 - 卡罗琳·奥蒙德（Caroline Ormond）：负责方法论设计、实验实施、数据分析。 - 沙赫里亚尔·莫斯图法（Shahriar Mostufa）：负责实验实施、数据分析。 - 马修·加迪（Matthew Gaddy）：负责项目监督和软件应用。 - 弗拉基米尔·库里亚特科夫（Vladimir Kuryatkov）：负责项目监督和资源调配。 - 吴凯（Kai Wu）：负责项目监督。 - 斯蒂芬·贝恩（Stephen Bayne）：负责项目监督和资金筹措。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢 本研究由陆军研究实验室（Army Research Laboratory）资助，依据合作协议编号W911NF-25-2-0103完成。本文所表达的观点和结论仅代表作者本人，并不代表陆军研究实验室或美国政府的官方立场。美国政府有权出于政府用途复制和分发本文内容，无需遵守任何版权限制。