金刚石上的射频溅射氧化镓

研究团队报告了“利用射频磁控溅射在单晶金刚石（111）晶圆上异质外延生长β-Ga₂O₃薄膜的首次成果”[Takafumi Kusaba et al, Applied Physics Express, v16, p105503, 2023]，该团队的研究人员大多来自日本。虽然β-Ga₂O₃是一种很有前景的新材料，可用于极端条件下的电子设备，但其热导率较低。在高热导率单晶金刚石（SCD）上生长Ga₂O₃可使器件进行自主热管理。

研究团队包括日本九州大学、国立先进工业科技研究所（AIST）、九州工业大学的研究人员，以及一名来自埃及阿斯旺大学和日本-埃及科技合作中心（E-JUST Center）的研究人员。

研究人员认为，他们的研究工作有助于“进一步研究可扩展的β-Ga₂O₃/金刚石异质结构，以用于未来的电子应用和光电应用，而这些应用不仅具有高性能，而且具有良好的自主热管理”。

β-Ga₂O₃的一些材料特性有望实现上述两点，其带隙较宽（4.5-4.9eV）、击穿场强较高（约8MV/cm）、能抗化学损伤、能承受高强度辐射和热应力。其热导率在10-30W/m-K之间，而金刚石的热导率约为2000W/m-K。

β-Ga₂O₃/金刚石异质结构组合拥有另一个吸引人的可能性，即金刚石与硼可轻松进行p型掺杂，因为目前还没有排列p型Ga₂O₃的可行方法，而Ga₂O₃本身是n型的。

先前曾报告过在金刚石上进行β-Ga₂O₃的范德华和晶圆键合等技术，但未报告过射频溅射等直接生长工艺。直接生长法往往更受青睐，因为其制造过程可扩展且成本较低。

使用日本住友公司生产的商用未掺杂Ga₂O₃靶件和Ib型（111）单晶金刚石衬底进行射频磁控溅射（RFMS）（图1）。射频磁控溅射的生长压力为1.5x10^-1Pa。腔室内的气体为不含氧的氩气流。射频功率为50W，沉积时间为48小时。β-Ga₂O₃在金属掩膜界定的圆形区域内生长。

虽然衬底温度较高时（700°C材料厚度315nm），Ga₂O₃晶体的生长速度明显减慢，但温度较低时，Ga₂O₃晶体的品质却有所下降。事实上，根据X射线衍射分析，400°C时，材料似乎为非晶质。500°C样品包含混合的β相Ga₂O₃和γ相Ga₂O₃。600°C和700°C薄膜为未混合的β-Ga₂O₃。不过，600°C材料是多晶体，具有多种不同的平面取向。700°C样品主要呈（-201）取向，其摇摆曲线峰值明显较窄，半高全宽（FWHM）值为3.0°，相比之下，600°C材料的半高全宽值为4.1°。