南京大学团队突破α-Ga₂O₃薄膜生长关键技术

南京大学电子科学与工程学院叶建东教授团队在国际权威期刊《Applied Physics Letters》发表最新研究成果，聚焦m面非极性α-Ga₂O₃异质外延中的应变转变与镶嵌结构演化，揭示了超宽禁带半导体α-Ga₂O₃薄膜生长的核心机制。

氧化镓（Ga₂O₃）是第四代超宽禁带半导体材料的核心代表，其中刚玉结构的α-Ga₂O₃具有约5.3eV的超宽带隙和优异的理论击穿场强，在高压功率电子和日盲紫外探测领域具有不可替代的应用价值。然而，α-Ga₂O₃属于亚稳相，异质外延过程中常因晶格失配与热膨胀差异导致应变累积、晶体缺陷和相转变。尤其是m面非极性衬底的生长机制长期缺乏系统解析，成为制约其产业化的关键瓶颈。

研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在m面蓝宝石衬底上实现了高质量非极性α-Ga₂O₃薄膜的可控外延生长。通过高分辨率X射线衍射和透射电子显微镜等多尺度表征手段，团队首次完整揭示了薄膜生长全过程的应变转变规律与镶嵌结构演化机制。研究发现，初始生长阶段的拉伸应变随厚度增加逐步向压缩应变转变，应变竞争效应显著影响晶体取向、缺陷密度和表面形貌。同时，m面衬底有效抑制了极性畴与位错增殖，获得了原子级平整表面（粗糙度低至0.365nm）和低缺陷密度的纯相α-Ga₂O₃薄膜。

研究的核心突破在于建立了应变-结构-性能的定量关联模型，为α-Ga₂O₃异质外延的参数优化提供了精准指导。实验数据显示，基于该机制调控的α-Ga₂O₃薄膜，其晶体质量（X射线摇摆曲线半峰全宽低至0.39°）与电学性能均达到国际先进水平，可直接支撑高压晶体管和日盲紫外探测器等高端器件的研发。

叶建东教授团队长期致力于氧化物半导体材料与器件研究，在氧化镓外延技术、缺陷调控及异质集成等领域成果显著，先后承担多项国家级项目，相关成果已在《ACS Nano》《Applied Physics Letters》等顶级期刊发表。