β相氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借其超宽的禁带宽度（~4.9 eV），极高的击穿场（8 MV/cm），稳定的化学稳定性和热稳定性等优异的性能被广泛研究，其在高功率电子器件、日盲紫外探测器等领域具有巨大的应用潜力。单晶硅（Si）衬底具有制备工艺成熟、热导率优良及电学性能可控的优势。然而，由于β-Ga₂O₃与单晶Si之间存在较大的晶格失配，致使Si衬底制备的Ga₂O₃薄膜存在结晶质量差、易开裂等问题。如何提高Si衬底上生长的Ga₂O₃薄膜结晶质量对发挥Ga₂O₃材料优异性能，加快Ga₂O₃器件的商业化进程具有重要意义。

为此，课题组弭伟、王迪老师提出了预沉积Ga₂O₃籽晶层与后退火工艺相结合的方法，指导研究生生长β-Ga₂O₃薄膜并提高其结晶质量，利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）等测试手段探究了不同籽晶层厚度及退火温度对Si (100)衬底上生长的Ga₂O₃薄膜结晶质量的影响。

图1. 不同籽晶层厚度制备的β-Ga2O3样品的XRD与SEM测试图

       通过射频磁控溅射法在Si (100)衬底上预生长了不同厚度的Ga₂O₃籽晶层，然后在籽晶层上沉积了Ga₂O₃薄膜，并对其进行了不同温度的后退火处理。研究表明，对于Si衬底上制备的Ga₂O₃薄膜，当预沉积9nm厚度的籽晶层，并对样品进行800 ℃退火处理，β-Ga₂O₃薄膜的结晶质量最佳，薄膜与衬底间具有单一的面外外延关系，为Si (100) // β-Ga₂O₃ (-201)。此外，HRTEM和SAED图像显示出β-Ga₂O₃薄膜沿面外生长方向具有清晰、规则的晶格排列及衍射点阵列，生长的(-201)晶面间距约为0.468 nm，表明薄膜具有良好的结晶质量。预生长适当厚度的籽晶层可以为β-Ga₂O₃生长提供成核位点，减轻衬底与薄膜间晶格失配和热失配的影响，从而促进薄膜结晶并防止开裂，提高薄膜的结晶质量。

图2. Si衬底上生长β-Ga2O3薄膜的XPS、TEM和SAED图像

       该项工作将促进高集成度、低成本Si基Ga₂O₃光电及功率器件的发展，同时也有助于解决Ga₂O₃器件散热差的问题，为在Si晶片上集成高性能Ga₂O₃器件提供一定帮助。相关工作已经以“Effects of seed layer thickness and post-annealing process on crystalline quality of β-Ga₂O₃ films prepared on Si (100) substrate by RF magnetron sputtering”为题发表在国际期刊Vacuum上（214（2023）112235）https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112235