Механизм роста эпитаксиальных слоев Ga$_2$O$_3$ методом хлорид-гидридной эпитаксии на подложке SiC/Si (110)

Исследуется механизмы роста эпитаксиальных пленок $\beta$-, $\varepsilon$- и $\alpha$-фаз оксида галлия (Ga$_2$O$_3$) выращиваемых методом хлорид-гидридой эпитаксии (ХГЭ) на поверхности гибридных подложек SiC/Si, синтезированных методом согласованного замещения атомов (MCSA) на поверхности (110) подложек кремния. Рост слоев Ga$_2$O$_3$ протекал в широком диапазоне температур подложек от 550$^\circ$C до 1050$^\circ$C. Анализ микроструктуры осуществлялся при помощи рамановской спектроскопии и просвечивающей (трансмиссионной) микроскопии высокого разрешения (ПЭМ). Химический состав (распределение химических элементов) определялся при помощи рентгеновского спектрометра (EDS), который является приставкой к растровому электронному микроскопу (РЭМ). В результате проведенных исследований было обнаружено, что рост пленки Ga$_2$O$_3$ поверхности SiC/Si (110) происходит в две стадии. На первой стадии поверхность SiC/Si (110) обогащается углеродом и насыщается кремниевыми вакансиями в результате взаимодействия хлора, являющегося продуктом реакции хлорида галлия и кислорода, с поверхностью SiC/Si (110). Только после образования на поверхности SiC тонкого, толщиной порядка 1.5 nm слоя углерода начинается вторая стадия, а именно, начинается рост слоя Ga$_2$O$_3$. Рост Ga$_2$O$_3$ начинается с внедрения в слой углерода атомов кислорода, к которым затем присоединяются атомы галлия. После чего начинается рост объемного слоя Ga$_2$O$_3$. Поскольку реакция между хлором и SiC начинает заметно протекать только при температуре выше 700$^\circ$C, то при более низких температурах на поверхности SiC не образуется слоя углерода, соответственно слои Ga$_2$O$_3$ не зарождаются. Высказано предположение о том, что для выращивания качественных пленок Ga$_2$O$_3$ поверхности SiC перед ростом необходимо модифицировать, покрывая их либо тонким слоем углерода, либо слоем графена.