【会员论文】西湖大学孔玮教授团队---在（100）衬底的近范德华表面实现单晶 β-Ga₂O₃ 同质外延生长

        由西湖大学的研究团队在学术期刊 Advanced Science 发布了一篇名为 Single-Crystalline β-Ga₂O₃ Homoepitaxy on a Near Van der Waals Surface of (100) Substrate（在（100）衬底的近范德华表面实现单晶 β-Ga₂O₃ 同质外延生长）的文章。

        作者感谢西湖大学物理科学仪器与服务中心、西湖大学微/纳米制造与仪器中心和分子科学仪器服务中心在表征方面提供的帮助。该项工作得到了西湖教育基金会的支持。Z.Y. 的工作得到了广东省基础研究重大项目（项目编号：2021B0301030003）的支持。

        β-Ga₂O₃ 因其超宽禁带（4.8 eV）、高击穿电场和低导通电阻等优异特性，在高功率电子器件领域具有巨大潜力。目前，已成功生产出 (100) 方向的 6 英寸 β-Ga₂O₃ 晶圆，预计进一步的发展将扩大晶圆尺寸。然而，由于外延层中存在高密度的孪晶边界（TB）和堆叠断层（SF），从而对载流子迁移率产生了负面影响，并阻碍了器件性能的提高，因此在同轴（100）衬底上进行 β-Ga₂O₃ 的同外延生长具有挑战性。

        该团队提出了一种新的生长方法，通过在高温下引入过量的铟（In）助剂，结合优化的 Ga/O 流量比，实现了 β-Ga₂O₃（100）衬底上单晶薄膜的外延生长。通过在高温下富含金属的条件下引入过量的表面活性剂金属，实现了近似热平衡的生长机制，增强了金刚原子的扩散，抑制了孪生相的陨落。这种调整使有序的单晶核得以形成，并以类似于二维材料生长的半层对半层生长模式进行横向拼接。这种方法利用近范德华外延模式，抑制了孪晶的形成，促进了原子级平坦薄膜的生成，从而显著提升了薄膜的晶体质量。

        研究团队使用了等离子体辅助分子束外延（PA-MBE）系统进行 β-Ga₂O₃ 薄膜的外延生长。该系统配备了 Ga 和 In 快门控制的 K-cell 作为金属源，射频等离子源提供激活氧，离子规测量束等效压力（BEP），以及原位反射高能电子衍射（RHEED）检测系统。外延的衬底为未故意掺杂的 β-Ga₂O₃（100）衬底。在外延生长之前，进行标准的有机清洗过程。清洗后，将衬底进行充分干燥。然后使用 In 键将清洗过的衬底连接到 2 英寸硅晶片上，并装入转移室进行烘烤。之后，转移到生长室，在 850°C 下保持 30 分钟，以分解表面非晶层。随后，将加热阶段冷却到较低温度，以进行生长。在生长过程中，采用 RHEED 系统实时监控外延质量和厚度。在单晶 β-Ga₂O₃ 生长条件下，生长温度设定为 800 °C，O₂ 等离子体的功率保持在 250 W，流速为 0.5 sccm。为了研究表面形貌和生长机制的演变，通过改变氧通量和 In-Ga 通量比来调节生长参数。

        该研究团队成功实现了在 β-Ga₂O₃（100）衬底上无孪晶的单晶外延生长，提出的近范德华外延策略结合 In 助剂的使用，有效解决了传统生长方法中的缺陷问题。这项工作为高质量 β-Ga₂O₃ 基薄膜的量产和器件开发提供了新的技术路径，有望推动其在高功率电子器件中的广泛应用。