【国际论文】日本国立材料研究所：基于伪立方氧亚晶格绘制β-Ga₂O₃的初级晶面图

        由日本国立材料研究所的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Mapping primary crystallographic planes in β-Ga₂O₃ based on a pseudo-cubic oxygen sublattice（基于伪立方氧亚晶格绘制 β-Ga₂O₃ 的初级晶面图）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体，在功率器件和深紫外光电子器件领域具有极高的应用前景。它是氧化镓最稳定的相，具有约 4.8 eV 的禁带宽度和极高的临界击穿电场。β-Ga₂O₃ 属于单斜晶系。与常见的立方（如 Si）或六方（如 GaN、SiC）半导体不同，单斜结构的对称性较低。其晶格参数中，a 轴与 c 轴之间的夹角 β 不等于 90°，这导致其物理性质表现出强烈的各向异性。由于这种低对称性，传统的米勒指数在描述 β-Ga₂O₃ 时变得非常不直观。例如，常用的外延生长面 (-201) 与其他平面的几何关系很难通过公式明确。在进行异质外延时，不容易以清晰地描述膜层与衬底之间的晶格匹配关系。为了降低理解门槛，迫切需要一种更简单的几何模型，将复杂的单斜坐标系映射到大家更熟悉的坐标系中。

        尽管 β-Ga₂O₃ 属于单斜晶系，但聚焦于氧骨架可简化其结构复杂性。氧亚晶格形成立方紧密堆积排列，对应于由晶格矢量定义的扭曲面心立方（fcc）结构：a_fcc = b + 1/2 c， b_fcc = −b + 1/2 c, c_fcc = 1/3 a + 1/6 c, 由此得出晶格参数：a_fcc = b_fcc = 4.20 Å, c_fcc = 3.95 Å, α_fcc = β_fcc = 90.1°, γ_fcc = 92.7°。这种伪立方表示法能直观理解晶体形状，从而便于系统性探索其晶体取向。

        在蓝宝石（Al₂O₃）上生长 β-Ga₂O₃ 时，两者界面其实就是氧原子层的对接。利用伪立方模型，可以简单地解释某些特定的旋转域会出现在外延层中。

        文章不仅给出了结论，还提供了一套完整的坐标转换算法，允许其他研究者针对任意高指数面进行快速计算。

        研究团队基于 β-Ga₂O₃ 畸变的体心立方氧亚晶格，系统性地研究了其伪立方描述。通过定义平均体心立方单元胞并建立体心立方与单斜晶面的对应关系，能够以直观简明的方式理解 β-Ga₂O₃ 复杂的取向关系。该方法可识别构成氧亚晶格的主晶面，阐明这些晶面间的正交关系，实现垂直刻蚀基底取向的合理选择，并能推测与 NiO 等立方氧化物的外延关系。因此，伪立方表征为 β-Ga₂O₃ 提供了实用的晶体学基础，有助于筛选未探索的衬底取向。

图1. β-Ga₂O₃ 中畸变面心立方(fcc)氧亚晶格的平均伪立方单元胞。该单元胞由晶格矢量 a_fcc、b_fcc 和 c_fcc 定义，对应晶格参数为 a_fcc、b_fcc、c_fcc、α_fcc、β_fcc 和 γ_fcc。氧原子位于面心立方位点，在单元胞中以空心圆圈表示。

图2. β-Ga₂O₃ 晶体的晶面形状，其代表性氧亚晶格平面清晰可见。隐藏晶面（hkl）的米勒指数可通过晶体学等效关系确定，因其与已标注的相对晶面（hkl）具有晶体学等效性。

DOI：

doi.org/10.35848/1347-4065/ae42ac