氧化镓作为一种超宽禁带半导体材料,具有高击穿场强、大禁带宽度的特性,在高电压、高功率密度、低功耗的功率电子器件方向有着重要的应用前景。氧化镓具有多种晶相,通常人们研究较多的是热力学稳定的β相氧化镓及其功率器件,而对于热力学亚稳定的α相的认识仍处于零散状态,不够充分和系统。本论文通过构建低成本超声雾化辅助化学气相沉积（Mist-CVD）生长设备,在蓝宝石等衬底上实现高质量α氧化镓异质外延,揭示位错随外延厚度和衬底切割角的演化规律,进而进一步将位错密度降低,为后续器件制备提供了材料基础。主要创新结果如下:一、构建低成本Mist-CVD外延生长设备,在蓝宝石衬底上优化亚稳相α-Ga₂O₃异质外延。针对乙酰丙酮镓低温裂解不完全特点,采用氧气作为载气,并在反应前驱物中加入过氧化氢,通过强氧化抑制外延薄膜中残余碳杂质。研究表明,α-Ga₂O₃具有较窄的生长温度窗口,温度过低会导致外延膜结晶不完全或者呈现为非晶;而温度过高则会时外延膜中出现κ和β相的混相,同时反应物的预分解还会降低生长速率。本论文中570°C为最优化生长温度,α-Ga₂O₃具有单一纯相结构,外延膜与衬底之间具有[0001]α-Ga₂O₃//[0001]α-Al₂O₃和[10-10]α-Ga₂O₃//[10-10]α-Al₂O₃的外延关系。其（0006）面摇摆曲线半宽仅为36弧秒,对应的螺旋位错密度为10⁶cm^-2,显示材料具有较高的晶体质量。快速退火研究显示,α-Ga₂O₃在700°C仍未发生物相转变,具有较好的热稳定性。二、在外延优化基础上,深入研究了位错类型和位错密度随着外延层厚度的依赖关系。通过对外延膜和衬底在不同温度下热膨胀系数的分析,研究发现由于衬底与外延膜热膨胀系数随温度变化的速率不同,降温过程导致外延膜中首先表现为张应力,之后变为较小的压应力。当降温到达225°C时,外延膜中的张应力达到最大值,因此通过降低从生长温度降温到225°C的降温速率,可以有效抑制外延膜开裂现象。同时研究表明,随着外延厚度增加,螺位错密度基本不随外延膜厚度变化,维持在1.8×10^-6cm^-2附近,而刃位错密度则与外延膜厚度之间呈反比关系,当外延膜厚度从80nm增加到8μm时,刃位错密度从1.1×10¹¹ cm^-2降低到2.1×10⁹ cm^-2。应用位错的滑移模型,我们对这一现象进行了解释:在滑移模型的框架下,由于失配引起的应力在界面处弛豫,产生了平行刃位错,而刃位错滑移和合并则导致了融合行为。三、深入研究了c面蓝宝石衬底切割角对外延薄膜生长模式和位错形成的影响规律。研究表明,α-Ga₂O₃外延膜表现出比宝石衬底更大的切割角,即外延膜相对衬底存在晶格倾转。晶格倾转角与衬底切割角之间近似呈线性关系,与Nagai模型预测出的数值相吻合,这是由界面处外延膜与晶格之间的晶格失配引起。通过对比发现,100nm的较薄α-Ga₂O₃（0006）面的摇摆曲线半高宽较大且具有非对称性,而在700nm厚的α-Ga₂O₃外延膜中,摇摆曲线半宽减小且基本对称。摇摆曲线展宽主要来自于外延膜与衬底的界面处由晶格失配引起的非均匀应变,使其在不同的扫描几何条件下有不同的投影而表现出不对称特征,而随着界面处的应力逐渐释放,在厚外延膜中没有观察到相应现象。研究显示,蓝宝石切割角为6°时,α-Ga₂O₃外延膜具有最低的刃位错密度和最佳的晶体质量,为后续器件制备建立了材料基础。