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【会员论文】Acta Mater丨浙江大学杨德仁院士联合镓仁半导体团队：破解β-Ga₂O₃ HVPE外延丘状缺陷成因，关键堆垛错演化机制揭示
日期：2026-05-09阅读：76
由浙江大学杨德仁院士、张辉教授联合杭州镓仁半导体有限公司的研究团队在学术期刊 Acta Materialia 发布了一篇名为Edge-Dependent Stacking Fault Upward Transformation in Pseudo-Symmetric (100) β-Ga₂O₃ HVPE Epitaxy: A Common Source of Hillocks（伪对称 (100) β-Ga₂O₃ HVPE 外延中的边缘依赖型堆垛错向上转变：丘状缺陷的常见成因）的文章。
期刊介绍
Acta Materialia 是材料科学领域具有国际影响力的顶级学术期刊之一，长期聚焦材料结构、性能与机理之间关系的基础与应用研究，在金属材料、半导体材料、陶瓷、能源材料及先进功能材料等方向具有较高学术认可。专注于刊载工程技术-材料科学：综合方向的高水平原创研究。最新影响因子9.3，为Top类期刊。
背 景
单斜相氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借超宽禁带和高击穿场强，在电力电子领域极具潜力。其中，(100) 晶面由于具有容易解理的特性，常被用作大规模衬底制备和氢化物气相外延（HVPE）的主流方向。HVPE 技术以其极高的生长速率（每小时可达数十微米）成为制备厚漂移层的首选方案。然而，与 MBE 或 MOCVD 相比，HVPE 生长过程中更容易出现表面形貌恶化，特别是产生大量的宏观缺陷。在 (100) 面外延过程中，表面经常会出现一种丘状的凸起。这些缺陷的存在会破坏表面的平整度，在后续制备肖特基接触或 MOS 界面时，会导致局部电场集中，大幅降低器件的击穿电压和可靠性。去的研究大多集中在 (010) 晶面，而 (100) 晶面具有独特的伪对称性，其内部微观缺陷是如何在生长过程中一步步演变成宏观表面凸起的，其物理机制一直缺乏系统性的定论。为了实现高性能功率器件，必须从源头上理清这些表面缺陷的起源。如果能找到微观缺陷与宏观形貌之间的直接演化逻辑，就能通过优化生长参数来消除性能缺陷。
主要内容
在 (100) 晶面上生长 β-Ga₂O₃ 厚膜时，堆垛错位是一个主要挑战，因为会破坏表面形态，并严重影响功率器件的性能。在本研究中，系统地研究了通过卤化物气相外延（HVPE）生长在（100）晶面上的 β-Ga₂O₃ 同质外延层中堆垛错位及相关缺陷的形成、演变及其电学影响。通过多种表征技术发现，在异质外延生长过程中，常见的堆垛错位 SF100-B 会发生边缘依赖的向上转变，形成反相边界 (OPBs)。OPBs 的形成直接触发了外延表面金字塔状凸起的成核，并作为致命缺陷，导致肖特基势垒二极管过早击穿。原子尺度分析表明，SF100-B 源于 β-Ga₂O₃ 伪对称 (100) 面上的连续双晶过程，而其与 (-201) 晶面的完美晶格不匹配则驱动了 OPBs 的形成。此外，研究证实两个关键参数，Ga 吸附原子扩散长度 和台阶宽度与 SF100-B 的形成直接相关。据此，提出了两种有效的抑制堆垛缺陷策略：降低 Ⅵ/Ⅲ 比值和增大切出角。本研究获得的见解为设计缺陷可控表面提供了宝贵指导，从而有望实现基于 β-Ga₂O₃ 的高性能功率电子器件。
创新点
•通过先进的显微表征确认，(100) 外延层表面的山丘状缺陷并非偶然产生，而是由隐藏在内部 (201) 面上的堆垛层错（SFs）诱发的。
•发现了边缘依赖的向上转化机制，详细解释了层错如何随着外延层的增厚，沿着特定边缘向上攀升并最终转化为宏观凸起。
•研究发现这些凸起本质上是由于层错引发的孪晶结构。这些孪晶区域在生长过程中充当了原子的 sink，其生长速率显著快于周围的正常区域，从而长成了金字塔状。
•该研究不仅适用于 HVPE 生长，也解释了 MOCVD 等其他方法中 (100) 面氧化镓易生山丘缺陷的原因，为提升外延层质量提供了关键的理论依据。
结 论
本文系统地研究了通过 HVPE 法生长 [00-1] 截面 (100) β-Ga₂O₃ 外延层时丘状缺陷的成因。研究揭示，除了位错外，失相边界（OPB）也是丘状缺陷形成的新来源。在 β 相同质外延层中，OPB 由沿 1/6[132] 平移向量的剪切滑移形成，导致 (100)-A 和 (100)-B 晶面上的八面体 Ga 原子发生同相重叠，并伴随出现特征性的叠层结构。此外，研究表明这些 OPB 会对 SBD 器件的漏电流产生不利影响，这强调了在 (100) β-Ga₂O₃ 外延生长过程中控制 OPB 的重要性。为了阐明 OPB 的基本形成机制，通过 HRSTEM 进行了原子尺度的研究。发现了根据 (100) 衬底向 [00-1] 或 [001] 方向的切边方向，台阶边缘暴露的晶面决定了 SF100-B 的向上转变是产生 OPB 还是 SF001。SF100-B 的形成源于伪对称(100)面上的原子尺度连续双晶过程。随后，当 SF100-B 与正常晶格的(-201)台阶晶面相遇时，将同时向上转变为 OPB，最终在外延层表面形成金字塔状凸起。因此，[00-1] 偏切 (100) β-Ga₂O₃ 上堆垛缺陷的行为得到了充分阐明。此外，研究提出 SF100-B 的形成与两个关键参数之间的平衡直接相关：镓吸附原子扩散长度和台阶宽度。基于这一原理，提出了两种相应的有效策略：降低 Ⅵ/Ⅲ 比（例如，VI/III=10）和增大切角（最高达6°），以实现无丘状突起的 (100) β-Ga₂O₃ 外延生长。
项目支持
本研究得到中国国家重点研发计划（2024YFE0205300）、国家自然科学基金（22205203）、浙江省博士后科研项目优秀资助（ZJ2024079）、 浙江省自然科学基金（LZ25E070001）、国家杰出青年科学基金项目以及杭州市创新创业领军团队引进计划（TD2022012）。
图1. (a) 生长在 4° 斜切 (100) β-Ga₂O₃ 衬底上的 HVPE 外延层中金字塔状丘状缺陷的光学显微镜（OM）图像，(b) (a) 中典型金字塔状丘状缺陷的差分干涉对比 （DIC-OM） 图像，(c) (b) 中所示金字塔状丘状缺陷的共聚焦激光扫描显微镜 （CLSM） 三维图像。(d-e) 两种类型金字塔状丘状缺陷的 DIC-OM 图像，以及经 CMP 和后续选择性刻蚀后在蓝色框选区域拍摄的对应SEM图像。
图2. (a) 选定用于 SBD 制备的微凸起密集区域的镜像反转光学显微镜（OM）图像，(b) SBD 器件下方漏电流的原位发射显微镜（EMMI）图像，右侧的放大图显示了 OM 与 EMMI 结果的重叠情况。(c) 图 (b) 中所示 SBD 的 I-V 特性曲线，与位于同一表面上但未形成金字塔结构的另一枚 SBD 进行对比。
图3. (a) 生长 30 分钟的 HVPE 薄膜上典型金字塔状凸起的 SEM 图像，(b) 沿红色虚线从 (a) 中截取的层状结构的截面 TEM 图像， (c) 取自 (b) 中红色框选区域的放大透射电子显微镜图像，以及 (d-i) 分别在区域 Ⅰ-Ⅳ、Ⅰ∩Ⅲ、Ⅲ∩Ⅳ 处获得的单晶面衍射图。
图4. (a) 颗粒及其下方穿线缺陷的截面透射电子显微镜（TEM）图像，(b) (a) 中标记的感兴趣区域（ROI）的放大 TEM 图像，(c-d) (b) 中 A 区和 B 区的高分辨率透射电子显微镜（HRSTEM）图像，(e) (c) 中红框区域的放大 STEM 图像以及沿白色虚线方向的线性强度分布。
图5. 原子排列示意图：（a）OPB 形成前；（b）OPB 形成后。
图6. (a) 在图 4(b) 中的位置 I 获取的高分辨率透射电子显微镜（HRSTEM）图像；(b) (a) 中区域 X 与区域 Y 边界的高分辨率透射电子显微镜（HRSTEM）放大图；(c) (a)中所示弯曲现象的原子示意图；(d) 三个区域及其对应相位的原子示意图。
图7. (a) 取自图 4(b) 中位置 Ⅱ 的高分辨率透射电子显微镜（HRSTEM）图像。(b) (a)中区域X与区域Y边界的高分辨率透射电子显微镜（HRSTEM）放大图。(c) 三个区域及其对应相位差的原子示意图。
图8. (a-d) 在不同 VI/III 摩尔比下生长 2 小时的 UID 同质外延层的光学显微镜（OM）图像。金字塔结构用红色箭头标出。(e) (a-d) 中所示薄膜的相应半高宽（FWHM）。
图9. (a) 在 (100) 衬底上生长的一系列同质外延 HVPE 层中金字塔的密度分布，这些衬底相对于 [00-1] 方向具有 0°、4° 和 6° 的不同错切角。(b) 具有 [00-1] 错切台阶的 (100)-B 表面上堆垛缺陷 (SF100-B) 生成过程的示意图。(c) SF100-B 的形成以及在 (-201) 台阶前沿正向传播过程中不同畴和 OPB 演化的示意图。深粉色和浅粉色球体代表 Ga 原子，黄色、白色、绿色球体分别代表 OI、OII 和 OIII。
图10. 描绘了在（a）[001] 切口和（b）[00-1] 切口下不同边缘依赖型堆垛缺陷转变模式的示意图。更简洁的版本总结于（c）。
DOI：
doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122315
