【国际论文】沉积在 MgAl₂O₄ 上的 γ-Ga₂O₃ 的原子尺度研究及其与 β-Ga₂O₃ 的关系

由美国卡内基梅隆大学的研究团队在学术期刊《APL Materials》发布了一篇名为Atomic-scale investigation of γ-Ga₂O₃ deposited on MgAl₂O₄ and its relationship with β-Ga₂O₃（沉积在 MgAl₂O₄ 上的 γ-Ga₂O₃ 的原子尺度研究及其与 β-Ga₂O₃ 的关系）的文章。

摘要

在金属有机化学气相沉积过程中，在约470°C的狭窄温度窗口内，在(100) MgAl₂O₄上沉积了名义上相纯的γ-Ga₂O₃。在440°C沉积的薄膜表现出较差的晶化或非晶结构；在500°C生长的薄膜中同时含有β-Ga₂O₃和γ-Ga₂O₃。在530°C获得了名义上相纯的β-Ga₂O₃薄膜。对于在470°C生长的γ-Ga₂O₃薄膜进行了原子分辨扫描透射电子显微镜（STEM）研究，发现存在大量反位界面。针对γ-Al₂O₃发展的平面缺陷模型被扩展用于解释STEM图像中观察到的γ-Ga₂O₃中Ga亚晶格的堆垛序列。在研究了470°C生长的薄膜和相同薄膜在600°C退火后的外延关系的全面调查背景下，讨论了β-Ga₂O₃的180°旋转域和90°旋转域在γ-Ga₂O₃基体内的存在。结果导致以下假设：(i)某些掺杂剂，包括Si、Ge、Sn、Mg、Al和Sc，被纳入β-Ga₂O₃，局部稳定了“γ相”；(ii)这些掺杂剂的位点偏好促进了“γ相”和/或γ-Ga₂O₃固溶体的形成。然而，在没有这些掺杂剂的情况下，纯γ-Ga₂O₃保持为最不稳定的Ga₂O₃多晶形态，表现为其非常窄的生长窗口、相对于其他Ga₂O₃多晶形态较低的生长温度以及γ-Ga₂O₃与β-Ga₂O₃之间的Helmholtz自由能差异每个化学式单位最大的计算差异。

图 1.(a) 在 (100) MgAl₂O₄ 衬底上生长 1 小时的 Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图样（对数刻度）。(b) {440} γ-Ga₂O₃（生长温度为 470 °C）和 MgAl₂O₄ 的 XRD ϕ 扫描图。(c) {444} γ-Ga₂O₃ 生长温度为 470 °C）和 MgAl₂O₄ 的衍射极图。γ-Ga₂O₃ （在 470 ℃ 下生长）的衍射极图。(d) 470 ℃ 生长的 γ-Ga₂O₃ 的 (800) 对称和 (440) 不对称衍射峰的 XRD 旋转曲线。(e) 薄膜/衬底组合（在 470 ℃ 生长的薄膜）804 衍射点周围的 RSM。

图 2. 470 °C 下生长 2 小时的薄膜的低倍截面明视场 STEM 图像，沿 (a) [010] 区和 (d) [011] 区采集。沿 (b) [010] 区和 (e) [011] 区采集的相同 γ-Ga₂O₃ 层的 SAED 图样。沿 (c) [010] 区和 (f) [011] 区获得的 γ-Ga₂O₃ 模拟 SAED 图样。