Growth, catalysis, and faceting of α-Ga2O3 and α-(InxGa1−x)2O3 on m-plane α-Al2O3 by molecular beam epitaxy

刻面 分子束外延 材料科学 结晶学 外延 薄膜 透射电子显微镜 相(物质) 晶体生长 纳米技术 图层(电子) 化学 有机化学
作者
Martin S. Williams,Manuel Alonso‐Orts,Marco Schowalter,Alexander Karg,Sushma Raghuvansy,Jonathan P. McCandless,Debdeep Jena,Andreas Rosenauer,Martin Eickhoff,Patrick Vogt
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:12 (1) 被引量:15
标识
DOI:10.1063/5.0180041
摘要

The growth of α-Ga2O3 and α-(InxGa1−x)2O3 on m-plane α-Al2O3(101̄0) by molecular beam epitaxy (MBE) and metal-oxide-catalyzed epitaxy (MOCATAXY) is investigated. By systematically exploring the parameter space accessed by MBE and MOCATAXY, phase-pure α-Ga2O3(101̄0) and α-(InxGa1−x)2O3(101̄0) thin films are realized. The presence of In on the α-Ga2O3 growth surface remarkably expands its growth window far into the metal-rich flux regime and to higher growth temperatures. With increasing O-to-Ga flux ratio (RO), In incorporates into α-(InxGa1−x)2O3 up to x ≤ 0.08. Upon a critical thickness, β-(InxGa1−x)2O3 nucleates and, subsequently, heteroepitaxially grows on top of α-(InxGa1−x)2O3 facets. Metal-rich MOCATAXY growth conditions, where α-Ga2O3 would not conventionally stabilize, lead to single-crystalline α-Ga2O3 with negligible In incorporation and improved surface morphology. Higher TTC further results in single-crystalline α-Ga2O3 with well-defined terraces and step edges at their surfaces. For RO ≤ 0.53, In acts as a surfactant on the α-Ga2O3 growth surface by favoring step edges, while for RO ≥ 0.8, In incorporates and leads to a-plane α-(InxGa1−x)2O3 faceting and the subsequent (2̄01) β-(InxGa1−x)2O3 growth on top. Thin film analysis by scanning transmission electron microscopy reveals highly crystalline α-Ga2O3 layers and interfaces. We provide a phase diagram to guide the MBE and MOCATAXY growth of single-crystalline α-Ga2O3 on α-Al2O3(101̄0).
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