【会员论文】镓仁半导体氧化镓单晶生长突破性成果在晶体领域顶刊Crystal Growth & Design上发表

        近日，杭州镓仁半导体联合浙江大学研究团队，在β-氧化镓（β-Ga₂O₃）单晶生长领域取得关键技术突破！在国际知名期刊 Crystal Growth & Design 第 25 卷/第 3 期发表了题为 Highly Coherent Grain Boundaries Induced by Local Pseudomirror Symmetry in β-Ga₂O₃ 的研究论文。  

        β-Ga₂O₃ 是一种极易在单晶生长与外延过程中产生孪晶的材料，严重制约了单晶生长与外延的良率提升。本研究从对称性（Symmetry）原理出发，首次提出了 β-Ga₂O₃ 中的准对称性（Pseudo Symmetry），成功解析了（100）孪晶界与“共格非对称孪晶界”的物理起源，破解了 β-Ga₂O₃ 易形成孪晶的“基因”。有助于从科学原理与工程设计的层面提升单晶生长与外延的良率，为高性能器件开发扫清关键障碍。

        参考此研究结果，镓仁研发团队基于自研氧化镓专用设备对 β-Ga₂O₃ 生长工艺开展优化迭代，初步解决了孪晶这一行业难题。

        对称性是宏观世界的核心概念之一，从天体运动的角动量守恒，到自然生物的形态与功能，都深受对称性的影响。即便在更为微观的原子尺度，对称性亦不可或缺。对于晶体材料的透彻理解，同样离不开对其对称性的深刻认识，β-Ga₂O₃ 也并不例外。

        β-Ga₂O₃ 是一种具有广阔应用前景的宽禁带半导体材料。众所周知，β-Ga₂O₃ 的空间群为 C2/m，相较于具有 P6₃mc 空间群的 4H-SiC 与 GaN，其对称操作更少，对称性也更低。在图 1 所示 β-Ga₂O₃ 单胞中，存在具有镜面对称性的（010）面，以及具有二次旋转对称性与螺旋旋转对称性的 [010] 晶向。

【图1】 β-Ga₂O₃ 单胞中的标准对称性

        然而，在上述严格的对称性之外，β-Ga₂O₃ 还具有特殊的“准对称性”（Pseudo Symmetry）。如图 2（a）所示，β-Ga₂O₃ 具有“准镜面对称”的原子层结构，“准镜面对称”的含义是，该层原子的镜像和它本身之间的位置并不严格重合，但仅仅差了微不足道的一点距离。该原子层的“准镜面对称”面垂直于（100）面，在图 2（a）中标注为黑色虚线，该“准对称面”的间距为：

        这一“准对称性”使 β-Ga₂O₃ 的单晶生长和外延过程中极易出现（100）面的孪晶。正如图 2（b）所示，在形成孪晶结构后，孪晶界面处几乎没有原子的位移与键的扭曲，其孪晶界面能仅为 0.008 J/m²——几乎等于没有！

【图2】 （a）β-Ga₂O₃ 中的准对称原子层；（b）建立于准对称性上的 β-Ga₂O₃ 的（100）面孪晶

        此时，另一个巧合出现：β-Ga₂O₃ 的单胞结构存在特殊的“晶格巧合”，如图 3（a）所示：

        这种“晶格巧合”与“准对称性”叠加，使 β-Ga₂O₃ 中存在两种特殊“孪晶核心”，如图 3（b）和（c）所示。

【图3】（a）β-Ga₂O₃ 的特殊“晶格巧合”；（b）β-Ga₂O₃ 中的A型孪晶核心；（c）β-Ga₂O₃ 中的 B 型孪晶核心

        图 3（b）和（c）中的“孪晶核心”的三维拓展，构成了图 4 中的一系列的孪晶界面结构。微观上，它们可被视为由“孪晶核心”串成的孪晶链；而宏观上，这些界面结构表现为由不同晶面构成的孪晶。

        例如，图 4（b）中的界面结构，宏观上就表现为 β-Ga₂O₃ 的（002）面与（20-2）面产生了孪晶！在此，我们将其命名为“共格非对称孪晶界”（Coherent Asymmetric Grain Boundaries，CAGBs）。

【图4】（a）-（f）由孪晶核心拓展成的三位共格非对称孪晶；（g）共格非对称孪晶在宏观上表现为由两个不同的晶面组成的孪晶界；（f）构成共格非对称孪晶的晶面的表面能

        共格非对称孪晶界在 β-Ga₂O₃ 的单晶生长与外延中扮演着不可忽视的角色。如图 5 所示，在采用直拉法生长 2 英寸 β-Ga₂O₃ 单晶时，我们观察到了共格非对称孪晶的结构，并通过图 5（e）中的 HAADF-STEM 以及第一性原理计算，明确了图 4（b）为最稳定的 β-Ga₂O₃ 共格非对称孪晶结构。

【图5】 采用直拉法生长的 2 英寸 β-Ga₂O₃ 单晶中的共格非对称孪晶，采用（a）偏光应力仪；（b）光学显微镜；（c）TEM；（d）STEM 与（e）HAADF-STEM 观察的共格非对称孪晶的结构。

        我们以 β-Ga₂O₃（100）面衬底的台阶流外延为例，说明共格非对称孪晶对 β-Ga₂O₃ 外延的重要作用。大量研究表明，β-Ga₂O₃（100）面可以通过斜切的方式实现台阶流生长，以提升外延质量。然而，斜切方向对外延质量的决定性作用的原理，依然悬而未解（APL Mater. 7 022515 (2019)）。在此，我们需要强调共格非对称孪晶界的关键作用。

        如图6（a）所示，（100）面衬底沿着 [001] 斜切暴露出 (001) 面的台阶面，沿着 [00-1] 斜切暴露出 (-201) 的台阶面。在沿着 [001] 斜切暴露出的（001）台阶面处，因共格非对称孪晶的存在，会形成一种孪晶缺陷，它的能量密度是 3.11 J/m²，甚至低于无孪晶缺陷的能量密度 3.26 J/m²——这意味着在外延过程中，孪晶会自发形成！然而，在沿着 [00-1] 斜切的（100）衬底上，（-201）台阶面抑制了相关孪晶缺陷的形成。因此，为了提高外延的质量，合理选择 β-Ga₂O₃ 衬底的方向，是至关重要的。

【图6】 （a）β-Ga₂O₃（100）衬底沿 [001] 方向斜切暴露出（001）台阶面，沿 [00-1] 方向斜切暴露出 (-201) 台阶面。（b）在（001）台阶面上，由共格非对称孪晶导致的台阶处的孪晶缺陷，其能量低于无缺陷的台阶。

        在这项开创性的研究成果中，镓仁半导体联合浙江大学研究团队首次提出了“准对称性”与“晶格巧合”的理论，并通过深入解析孪晶界的物理机制，成功攻克了长期困扰行业的晶体缺陷难题，并实现了 2 英寸 (010) 面无孪晶 β-Ga₂O₃ 衬底的量产，标志着我国在宽禁带半导体领域的科学与工程实力迈上新台阶。

        展望未来，镓仁半导体将持续致力于推动国家宽禁带半导体产业发展，深耕氧化镓领域科技创新，为客户提供高性价比的优质氧化镓产品，争做行业技术引领者。

        杭州镓仁半导体有限公司成立于 2022 年 9 月，是一家专注于氧化镓等宽禁带半导体材料研发、生产和销售的科技型企业。公司开创了氧化镓单晶生长新技术，获得 14 项国际、国内发明专利，打破了西方国家在氧化镓衬底材料上的垄断和封锁。镓仁半导体立足于解决国家重大需求，将深耕于氧化镓上游产业链的持续创新，努力为我国的电力电子等产业的发展提供产品保障。

        镓仁半导体引领行业创新，采用自主研发的铸造法氧化镓单晶生长新技术，实现 6 英寸单晶衬底和晶圆级 (010) 单晶衬底的生产技术突破，并开发了首台包含工艺包的氧化镓专用 VB 长晶设备。公司已掌握氧化镓生长、加工、外延等全链条的核心技术，为客户提供拥有完全自主知识产权的大尺寸高质量氧化镓产品及设备。

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