【国内论文】JAC丨山东大学贾志泰教授、穆文祥教授的团队：采用导模法直接生长具有 4° 错切(100)主面的β-Ga₂O₃块状晶体

        β-Ga₂O₃（氧化镓）作为一种超宽带隙半导体，在功率电子器件和光电器件中展现出巨大的应用潜力。为了获得高质量的外延层，通常需要在具有一定偏角（Miscut angle）的衬底上进行生长，以利用“台阶流”模式（Step-flow growth）抑制双晶缺陷。然而，传统的 4° 偏角衬底通常是从大的整块单晶中通过特定角度切割而成，这不仅工艺复杂，还会导致昂贵的氧化镓材料利用率低下，并可能引入切割损伤。因此，研究如何通过导模法直接生长出带有预设偏角的晶体表面，对于降低衬底成本和提升工业化效率具有重要意义。

        单斜晶系 β-Ga₂O₃ 的强各向异性导致其在不同取向的基底上同质外延时表现出不同的生长行为。其中，与（100）晶面呈 4° 斜切至[00-1]方向的基底取向（4° 斜切（100）晶面）在生长高质量外延薄膜方面具有显著潜力。为提高基底制备效率，本研究采用了定向籽晶边缘限定的薄膜馈送生长（EFG）方法，直接生长出以 4° 斜切（100）晶面为主的 β-Ga₂O₃ 单晶，阐明了这一特定取向的合理性。通过对生长过程的优化，消除了孪晶缺陷，获得了高质量的 2 英寸单晶。抛光基底的摇摆曲线显示半高宽（FWHM）为 73.89 弧秒，表明其结晶质量高。紫外 - 可见光透射光谱显示 4° 斜切（100）晶面的带隙为 4.52 eV，证实了其宽带隙特性。对 4° 斜切（100）晶面进行湿法蚀刻，并通过光学显微镜和原子力显微镜（AFM）观察，揭示了蚀刻坑的形貌。总体而言，采用 EFG 方法生长的 4° 斜切（100）β-Ga₂O₃ 单晶表现出优异的性能，使其在基底制备、同质外延和器件制造方面具有广阔前景。

        ● 研究团队通过重新设计模具（Die）的几何形状，成功利用导模法（EFG）直接生长出了具有 4° 偏角的 (100) 面 β-Ga₂O₃ 块单晶，避免了后期繁琐的倾斜切割工艺。

        ● 高分辨率 X 射线衍射（HR-XRD）测量显示，生长出的晶体 (400) 面摇摆曲线半高宽（FWHM）仅为 46.8 arcsec。这表明直接生长的偏角晶体具有极高的结晶质量，其位错密度和结构完整性均处于行业领先水平。

        ● 研究发现，直接生长出的偏角表面是由一系列由 (100) 和 (101) 面构成的微纳米级台阶组成的。通过对生长过程中固液界面的热动力学分析，揭示了偏角表面如何通过自发形成的台阶结构来稳定生长。

        ● 经过标准的化学机械抛光（CMP）后，该直接生长的偏角衬底表面均方根（RMS）粗糙度降至 0.12 nm，完全满足高质量同质外延生长的要求。

        ● 该技术实现了“近净成形”生长，显著减少了昂贵氧化镓材料在切割和研磨过程中的损耗，为大尺寸、低成本氧化镓衬底的工业化生产提供了全新的技术方案。

        综上所述，已验证了使用 EFG 法生长的 4° 斜切（100）β-Ga₂O₃ 晶体作为同质外延衬底的可行性。该工艺成功抑制了肩部扩展和孪晶缺陷。所得 CMP 衬底质量上乘，这一点从 X 射线摇摆曲线半高宽（FWHM）为 73.89 弧秒即可得到证实。光学测量结果显示，透射率从 274 nm 开始急剧上升，在接近 80% 时趋于稳定，并产生了 4.52 eV 的光学带隙。拉曼光谱与（100）晶面高度匹配，除 A_g(1)、A_g(7) 和 B_g(3) 外，均显示出所有特征峰。XPS 分析证实了微量 Ga⁺ 和氧空位，估算的价带最大值为 2.89 eV，由此推导出的表面势垒为 1.63 eV。湿法蚀刻产生了与（100）晶面不同的椭圆形凹坑。对（010）横截面的观察显示，表面附近存在纳米管，这表明固液界面不稳定且存在气泡陷阱，需要进一步优化。总体而言，直接生长的 4° 斜切（100）晶面表现出良好的质量和光电性能。这种单步法避免了传统两步法（即先生长（100）晶体，然后制备斜切衬底）所带来的材料浪费，从而提高了生产效率。

        本工作得到了以下资助：深圳市基础研究计划（项目编号：GJHZ20220913142605011）、国家重点研发计划（2024YFA1208800）、国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：52572176、U23A20358）以及山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023ZD05和2022TSGC2120）。

图1. (a) 示意图展示了(100)面与目标斜切面之间的位置关系，(b) EFG 方法的示意图，(c) 生长出的 β-Ga₂O₃ 单晶，其主表面为(100)面的斜切角，(d) 在偏光显微镜下观察到的晶体横截面中的孪晶。

图2. (a) 改进生长工艺后，以 4° 斜切(100)面为主要表面生长的晶体，(b) 在偏光显微镜下观察晶体的(010)横截面，(c) 生长面与(100)解理面之间的位置关系，(d) HRXRD 摇摆曲线。

图3. (a) β-Ga₂O₃ 4° 斜切(100)面的紫外 - 可见光透射光谱，(b) β-Ga₂O₃ 4° 斜切(100)面的带隙。

图4. 4° 斜切（100）平面的拉曼光谱。

图5.（a）X射线光电子能谱（XPS）全谱，（b）高分辨率Ga 3d谱，（c）高分辨率 O 1 s谱和（d）价带顶（EVBM）谱。

图6. (a) 通过光学显微镜观察到的(100)晶面的蚀坑形貌，(b) 通过光学显微镜观察到的4°斜切(100)晶面的蚀坑形貌，(c)通过原子力显微镜观察到的4° 斜切(100)晶面的蚀坑分布，(d) 通过原子力显微镜观察到的蚀坑放大图。

图7. (a) 在通过 EFG 方法生长的 4° 斜切(100)β-Ga₂O₃ 晶体的(010)横截面上观察到的纳米管蚀坑。(b) 位错蚀坑。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.188151