【国内论文】CGD丨中国科学院上海光学精密机械研究所齐红基研究员、赛青林研究员：分步扩肩生长大厚度(100)晶面 β 氧化镓晶体

        由中国科学院上海光学精密机械研究所齐红基研究员、赛青林研究员在学术期刊Crystal Growth & Design发布了一篇名为Step-by-Step Shouldering Growth of (100) β-Ga₂O₃ with Large Thickness（分步扩肩生长大厚度(100)晶面β氧化镓晶体）的文章。

        β-Ga₂O₃是新型超宽禁带半导体材料，禁带宽度4.8 eV、击穿场强8 MV/cm，热化学稳定性优异，在大功率器件、深紫外探测器等领域应用前景广阔，制备成本低于SiC、GaN。EFG法是实现大尺寸β-Ga₂O₃生长的主流方法，(100)晶面表面能低、易获得大尺寸单晶；传统EFG法生长(100)晶面晶体普遍偏薄，厚度与宽度二维同步扩肩易因生长习性差异出现杂晶、孪晶，难以制备大厚度晶体。

        β 氧化镓晶体具有各向异性，这一特性也体现在其生长习性中，表现为不同晶面间的竞争生长易引发杂晶、孪晶等现象，影响大尺寸晶体生长。但这种各向异性生长并非全是缺点，反而可被利用以实现特定晶面的定向生长。本文通过分析β氧化镓不同晶面的生长动力学机制，定性确定了各晶面的适宜生长区间，并主动设计满足要求的热场与生长工艺，成功获得预期效果。研究对(100)晶面的扩肩过程进行分阶段控制，制备出高质量 β 氧化镓单晶。

        · 基于(100)晶面光滑界面、其余晶面粗糙界面的生长动力学差异，提出了根据不同机制主导的分步扩肩策略：先沿模具长度方向生长薄层，再沿厚度方向扩至模具全表面。

        · 优化热场结构，在坩埚外侧增设铱加热环与环盖，结合工艺优化，实现生长界面过冷度精准调控，匹配不同阶段的过冷度区间调控，避免多生长机制竞争导致的杂晶生成。

        本文基于氧化镓（100）面与其他晶面生长机制的不同，研发分阶段扩肩策略，精细控制热场梯度分布，使其第一阶段仅发生一维方向扩展，先沿模具长度方向生长至与模具等宽，再沿模具厚度方向生长，完成全部放肩过程。通过主动设计过冷度与生长动力学区间匹配，成功实现(100)晶面厚尺寸 β 氧化镓的分步扩肩生长，体现了热场精细调控与晶体各向异性的良好匹配。样品衍射峰位置为15.049°，半高宽为50角秒，晶体质量良好。本研究为 β 氧化镓晶体的生长设计提供了新思路。

        本研究得到4英寸氧化镓材料与器件关键技术研究（项目编号：23511102300）的资助。感谢杭州富加镓业科技有限公司提供晶体生长与加工支持。

图 1 生长速率 R 随过冷度 ΔT 的变化关系

图 2 主动设计的模具表面温度分布

图 3 (100) 晶面分步扩肩过程示意图

图 4 (a) (100) 晶面 β-Ga₂O₃晶体；(b) 该晶体的 XRD 图谱

DOI：

doi.org/10.1021/acs.cgd.5c01530