α-Ga2O3基薄膜外延生长与物性研究

Ga2O3 exhibits wide range of potential applications due to its excellent physical properties. Because of the complex polycrystalline structure and transformations, the epitaxial growth of α-Ga2O3 thin film is very difficult. Although α-Ga2O3 and α-Al2O3 have a good lattice match, the β-Ga2O3 thin films are always easily obtained on α-Al2O3 substrates by physical deposition methods, indicating that the epitaxial growth of α-Ga2O3 is a great technical challenge.At the same time, α-M2O3 metal oxides with the same structure type of α-Ga2O3 exhibit rich physical properties, such as: ferroelectric, ferromagnetic, multiferroics, and metal-insulator transition and so on, and can be continuous solid solution with α-Ga2O3. Thus, researches on α-Ga2O3 based thin films will have important scientific significance. The project intends to discuss the effect of the lattice, buffer layer and doping on the thermodynamic stability of α-Ga2O3 thin films by first principles calculation. Meanwhile, we will study and realize the controllable growth of α-Ga2O3 epitaxial thin films through experiment. After the growth of high-quality α-Ga2O3 thin films, we will research the physical properties of α-Ga2O3 and α-M2O3 composited single- and multi- layer epitaxial thin films. The aim of this project is to provide the theoretical and technical foundation for the development of Ga2O3 based novel multi-function devices application.

Ga2O3优异的物理特性显示其具有广泛的应用前景。但由于其复杂的多晶型结构及相转变使α相Ga2O3外延薄膜生长变得非常困难。即使α-Ga2O3与α-Al2O3衬底具有良好的晶格匹配，但目前物理方法获得的普遍都是β-Ga2O3，显示α-Ga2O3薄膜外延生长是一个具有挑战性的技术难题。另外，同晶型的α-M2O3具有铁磁、铁电、多铁、金属-绝缘体转变等丰富的物理性质，且可与α-Ga2O3连续固溶，因此研究α-Ga2O3基薄膜还具有重要的科学意义。本项目拟通过第一性原理计算，探讨晶格、缓冲层、掺杂等因素对Ga2O3多种晶型热力学稳定性的影响，同时通过实验手段实现对α-Ga2O3外延薄膜的可控生长。在生长获得高质量α-Ga2O3外延薄膜的基础上，研究α-Ga2O3与α-M2O3复合的单层和多层外延薄膜的物理性能。本项目的研究将为研发基于Ga2O3材料的新型多功能器件应用提供理论与技术基础。

氧化镓作为禁带宽度为4.5-5.3 eV左右的超宽禁带半导体材料，由于其未来在功率器件、光电器件、存储器、传感系统等领域的应用，在科学技术上受到广泛的关注。氧化镓拥有六种不同的晶体结构，分别为α、β、γ、δ、ε和κ。每一种晶体结构的氧化镓都具备其特有的物理性质，可以在不同的器件领域得到应用。这些亚稳相中，α-Ga2O3结构简单，禁带宽度宽（5.3eV）, 同构材料丰富，在光电器件方面具有重要意义。但由于氧化镓复杂的多晶型结构及相转变，使α相Ga2O3外延薄膜生长变得非常困难。即使α-Ga2O3与α-Al2O3衬底具有良好的晶格匹配，但目前物理方法获得的普遍都是稳定相β-Ga2O3，显示α-Ga2O3薄膜外延生长是一个具有挑战性的技术难题。本项目基于获得高质量α-Ga2O3外延薄膜的目标开展了一系列的工作，取得了如下成果；（1）基于分子束外延技术，通过温度、氧压、激光能量和频率的生长参数调节，成功制备了高质量α-Ga2O3和Sn掺杂α-(Ga,Sn)2O3高质量外延薄膜生长；（2） 通过不同Sn浓度的掺杂，稳定调控α相Ga2−xSnxO3外延薄膜的同时，利用氧分压调节Sn离子的价态实现了薄膜电阻的2个量级的大范围调控；（3）拓展研究了其他亚稳相γ和ε晶体结构氧化镓薄膜的成相及相变规律，获得γ和ε相氧化镓，并研究它们的物性；（4）基于制备获得的高质量的多种晶型氧化镓外延薄膜，构筑若干氧化镓基光电器件。通过本项目的研究，我们基本掌握了高质量α-Ga2O3外延薄膜的生长技术，厘清了氧化镓不同晶型之间的转化规律，完成了对-Ga2O3外延薄膜的制备和物性研究，并拓展了氧化镓其他晶相薄膜的制备和器件研究。同时，我们也取得了较为丰硕的科研成果，共发表SCI论文66篇，申请中国发明专利4篇，参加国内外相关学术会议10次，培养研究生12名（其中博士研究生4名，硕士研究生8名）。