【会员论文】浙江大学杨德仁院士团队联合镓仁半导体：切角偏差对(100) β-Ga₂O₃力学性能及表面损伤的影响

        由来自浙江大学杨德仁院士、张辉教授团队联合镓仁半导体的研究团队在学术期刊Semiconductor Science and Technology发布了一篇名为Impact of Miscut Angles on Mechanical Properties and Surface Damage of (100) β-Ga₂O₃（切角偏差对(100) β-Ga₂O₃力学性能及表面损伤的影响）的文章。

        β 氧化镓（β-Ga₂O₃）是新一代超宽禁带半导体材料，禁带宽度约 4.9 eV，理论击穿场强高达 8 MV/cm，可通过熔体法低成本生长大尺寸体单晶，在功率电子与光电器件领域极具应用潜力。(100) 晶面易实现大直径扩径，是 8 英寸 β-Ga₂O₃单晶的主取向，且欧姆接触性能优异，但该晶面同质外延易生成孪晶薄片缺陷。引入偏角（miscut angle）可促使外延生长模式从二维岛状转变为台阶流，提升外延质量，然而偏角对 (100) β-Ga₂O₃的力学性能、加工表面损伤及亚表面缺陷的影响尚不明确。晶圆切割、研磨、抛光等加工过程易引入表面 / 亚表面损伤，直接影响外延质量与器件性能，因此系统研究不同偏角衬底的力学行为与表面完整性，对优化衬底加工工艺、支撑高性能器件制备至关重要。

        该团队采用纳米压痕、透射电子显微镜、原子力显微镜和湿法化学刻蚀等手段，系统研究了偏角为 0°、4° 和 6° 的 (100) β-Ga₂O₃衬底。结果表明，6° 偏角衬底的硬度约为 8.31±0.36 GPa，较 0° 和 4° 衬底的 9.57~9.78 GPa 降低约 13%；弹性模量随偏角增大而升高。在 1 mN 载荷下，4° 和 6° 样品均以位错和层错为主要变形方式，4° 偏角样品还出现非晶层（α 相区域）及近表面 (200) 层错。表面形貌分析显示，4° 偏角衬底为脆性去除并伴随解理坑，6° 样品则表现为塑性去除且缺陷密度更低。这些结果揭示了偏角对 β-Ga₂O₃衬底力学响应和表面完整性的重要影响，为优化外延生长、提升器件性能提供了依据。

        • 首次系统揭示 (100) β-Ga₂O₃衬底偏角对硬度、弹性模量的调控规律，6° 偏角使硬度降低 13%、弹性模量提升。

        • 发现 4° 与 6° 偏角衬底存在不同变形机制：4° 伴随非晶层、α 相变及 (200) 层错，6° 以塑性变形为主、缺陷更简单。

        • 阐明偏角决定加工去除模式：4° 为脆性去除伴解理坑，6° 为塑性去除、表面 / 亚表面缺陷密度更低。

        • 建立偏角-力学性能 表面损伤 外延质量的关联，为 β-Ga₂O₃衬底加工与外延工艺优化提供直接实验依据。

        该团队系统研究了偏角对 (100) 取向 β-Ga₂O₃衬底力学性能和表面损伤行为的影响，关键结论如下：1. 力学性能表现出明显的偏角依赖性，6° 偏角样品硬度较 0° 和 4° 样品降低约 13%，降至 8.31±0.36 GPa，弹性模量随偏角增大而升高，6° 样品约为 205 GPa。2. 纳米压痕应力下，4° 和 6° 样品均以位错滑移和层错形成为主，4° 样品出现更复杂的损伤特征，包括非晶层、α 相变区域及近表面 (200) 层错，6° 样品中这些特征不显著。3. 偏角显著影响机械加工后的表面质量，4° 样品为脆性去除模式并伴随解理坑，6° 样品表现为塑性去除机制且缺陷密度更低，湿法化学刻蚀进一步证实 6° 偏角衬底的刻蚀坑密度更低。

图 1. (a) 偏角为 0°、4°、6° 的 (100) β‑Ga₂O₃衬底的 X 射线衍射摇摆曲线；(b) 拉曼光谱

图 2. 粗抛后 (100) 表面的 SEM 图像：(a) 4° 偏角；(b) 6° 偏角

图 3. 化学机械抛光后不同偏角样品的表面形貌 AFM 图像：(a) 0°；(b) 4°；(c) 6°

图 4. KOH 溶液化学刻蚀后 (100) 衬底的光学显微图像：(a) 4° 偏角；(b) 6° 偏角

图 5. (a) 金刚石压头示意图；(b) 最大载荷 1 mN 下的载荷‑位移曲线；(c) 硬度与位移关系；(d) 弹性模量与位移关系

图 6. (a) 1 mN 载荷下 4° 偏角衬底沿 [010] 带轴的横截面 TEM 图像；(b) 图 7 (a) 中心区域放大图（白色矩形标记）；压痕点 (c) 内部、(d) 外部、(f) 近区的 HRTEM 图像；(e) (d) 中非晶层下方区域放大图；插图分别为对应 SAED 与 FFT 图谱

图 7. 最大载荷 1 mN 下 (100) 衬底的横截面 STEM 图像：(a) 4° 偏角；(b) 6° 偏角，带轴为 [010]

图 8. (a) 1 mN 载荷下 6° 偏角衬底沿 [010] 带轴的横截面 TEM 图像；(b) 图 9 (a) 中心区域放大图（白色矩形标记）；压痕点 (c) 外部、(d) 内部、(e) 中部、(f) 近区的 HRTEM 图像；插图分别为对应 SAED 与 FFT 图谱

DOI: 

10.1088/1361-6641/ae6360