【会员论文】湖北九峰山实验室首席专家魏强民等人建立 β-Ga₂O₃ 单晶缺陷评价方法，揭示晶向依赖位错分布规律

        由湖北九峰山实验室首席科学家魏强民联合华中科技大学、武汉大学、武汉理工大学的研究团队在学术期刊 AIP Advances 发布了一篇名为 Defect distribution in β-Ga₂O₃ single crystal via selective wet etching（通过选择性湿法刻蚀研究 β-Ga₂O₃ 单晶中的缺陷分布）的文章。

        单斜相 Ga₂O₃ 为超宽禁带半导体，带隙约 4.8 eV，拥有超高击穿电场、低导通电阻、熔体法可制备大尺寸衬底等优势，是新一代高压功率器件、紫外探测器、神经形态器件的核心材料。相较于 SiC、GaN 单晶，EFG 法生长 Ga₂O₃ 衬底生产成本更低，产业化前景广阔。

        晶体内部的位错、孔洞两类缺陷对 Ga₂O₃ 存在双重影响：材料基础层面，缺陷会引发晶体剥离、多晶型相变；器件应用层面，高密度缺陷会显著增大漏电流、降低击穿电压，严重限制功率器件可靠性。

        湿法化学腐蚀是便捷、可靠的单晶质量表征方法，行业常用腐蚀液包含 H₃PO₄、KOH、熔融 KOH+NaOH。现有研究存在诸多不足：高温长时间腐蚀过程中腐蚀液挥发，浓度持续波动，实验重复性差；无法清晰区分孔洞、位错各自对应的腐蚀坑形貌；缺少 (100)、(010)、(001)、(-201) 四种商用主流晶面缺陷的系统性对比；腐蚀浓度、温度、时长的标准化工艺参数未建立；腐蚀坑空间分布极不均匀，仅少量局部图像计数会产生巨大统计误差；不同晶面位错构型、缺陷三维分布、腐蚀各向异性的内在机理尚不明确，缺少适配器件的最优衬底晶向定量结论。

        本文搭建蒸馏回流式恒温腐蚀装置，全程稳定腐蚀液浓度；采用商用 EFG 抛光 Ga₂O₃ 单晶 (100)、(010)、(001)、(-201) 四种晶向样品，结合 OM、SEM、FIB-TEM/STEM 表征，系统研究腐蚀坑形成机理、缺陷三维分布、腐蚀形貌随时间演化规律，阐明腐蚀各向异性根源，建立标准化缺陷密度测试方案，并确定位错密度最低的器件优选晶面。

        采用蒸馏装置稳定腐蚀环境，通过化学腐蚀测定 (100)、(010)、(001)、(-201) 四种晶向 Ga₂O₃ 样品的位错密度，可清晰区分位错与孔洞缺陷。实验观测到腐蚀坑分布存在严重不均匀性，提出采用大量测量数据的位错密度平均值与标准差评价 Ga₂O₃ 单晶质量。(001) 晶向样品平均位错密度最低，约 10³ cm⁻²，较其余晶向低一个数量级；观测到 (010) 晶面存在缠结位错，(001) 晶面存在位于 (100) 面的单根位错，(100) 晶面存在分布于 (-201) 面的堆叠位错。位错与孔洞的各向异性生长、迁移、相互作用，以及随晶向变化的腐蚀速率，是产生多种腐蚀形貌、不同晶向位错密度存在差异的根本原因。建议采用高浓度腐蚀液、短腐蚀时长、低放大倍数图像，实现腐蚀坑密度的精准计算。

        ①自主设计冷凝回流蒸馏腐蚀装置，解决 H₃PO₄、KOH、熔融 KOH+NaOH 高温挥发造成腐蚀液浓度波动问题，全程维持稳定腐蚀条件，大幅提升缺陷测试重复性。

        ②完整对比 (100)、(010)、(001)、(-201) 四类商用 EFG Ga₂O₃ 晶面腐蚀行为，借助 FIB-TEM 直接区分孔洞、位错对应的腐蚀坑，明确各晶面独特位错构型：(010) 缠结位错、(001) 单根 (100) 面位错、(100) 堆叠 (-201) 面位错。

        ③揭示腐蚀坑动态转化规律：长时间腐蚀下孔洞型坑与位错型坑可相互转变，根源是缺陷沿晶体深度三维分布差异；定量得到 Ga₂O₃ 腐蚀速率排序：(010)＞(001)＞(100)。

        ④定量证实 (001) 晶向 Ga₂O₃ 位错密度低至 10³ cm⁻²，较其他晶向低一个数量级，确定其为功率器件最优衬底晶面。

        ⑤建立标准化晶体质量评价体系：高浓度腐蚀液短时腐蚀+低倍图像计数；采用多组测量均值与标准差消除腐蚀坑局部分布不均带来的统计误差。

        该团队证实，借助表面湿法腐蚀搭配高质量光学显微图像，可清晰识别并定量表征四种不同晶向 Ga₂O₃ 单晶内以孔洞、位错为主的缺陷分布。本文搭建一套蒸馏装置，能够在高温、长时间腐蚀工况下稳定腐蚀液浓度。研究筛选出具备最低位错密度、适配 Ga₂O₃ 基器件制备的最优晶向。位错与孔洞的各向异性生长、迁移、相互作用，以及随晶向变化的差异化腐蚀速率，是产生多种腐蚀形貌、不同晶向位错密度存在差异的根本原因。建议采用高浓度腐蚀试剂、缩短腐蚀时长、选用低放大倍数显微图像，实现腐蚀坑密度的精准计算。

        本研究得到湖北省重点专项（项目编号：2023BAA009）资助。

图 1 Ga₂O₃ 腐蚀实验装置示意图

图 2 130 ℃、60% KOH 腐蚀 2 h 后 (010) 晶面光学显微腐蚀形貌图：(a) 高密度区域；(b) 低密度区域；(c) 厘米级大范围腐蚀坑分布

图 3 (010) 晶向样品腐蚀坑几何形貌光学图（130 ℃、60% KOH 腐蚀 2 h）：A 型为内部带有深窄缝隙的平行四边形腐蚀坑；A′型为截短 A 型；B 型六边形腐蚀坑；C 型小型平行四边形腐蚀坑；D 型堆垛层错缺陷

图 4 130 ℃、50% KOH 腐蚀条件下 (010) 晶面腐蚀坑随时间演化光学图：(a) 腐蚀初期；持续腐蚀 (b) 16 min、(c) 50 min、(d) 120 min、(e) 150 min、(f) 180 min；数字 1–4 标记随时间发生形貌转变的局部腐蚀坑；1 号：初始 A 型腐蚀坑腐蚀 50 min 转变为 B 型；2 号：B 型腐蚀 120 min 转化为 A 型；3 号：C 型腐蚀 120 min 生成 A 型，再腐蚀 60 min 后 A 型转为 B 型；4 号：全程无明显形貌变化的 C 型腐蚀坑

图 5 (010) 晶向样品三类腐蚀坑扫描电镜图（130 ℃、60% KOH 腐蚀 2 h）：(a) 低倍下腐蚀坑种类与分布；(b) A 型腐蚀坑精细结构；(c) B 型腐蚀坑精细结构；(d) C 型腐蚀坑精细结构

图 6 腐蚀形貌与内部缺陷关联的扫描、透射电镜图（130 ℃、60% KOH 腐蚀 2 h (010) 样品）：(a)(c) 分别为 B、C 型腐蚀坑透射制样区域 SEM 图；沿 [101] 晶带轴观测的 TEM 图 (b) B 型坑下位错、(d) C 型坑下位错；插图为电子衍射花样

图 7 130 ℃、50% KOH 腐蚀下 (010) 晶面腐蚀坑随时间演化图：光学图 (a) 腐蚀 6 min、(b) 腐蚀 24 min；(c) 腐蚀 24 min 对应扫描电镜形貌

图 8 离焦光学显微观测体相内部孔洞（130 ℃、50% KOH 腐蚀 24 min (010) 样品）：(a) 聚焦表面，可见 A、B 型腐蚀坑；(b) 聚焦晶体内部，A 型坑下方存在孔洞、B 型坑无孔洞；(c) 聚焦表面，可见 A、C 型腐蚀坑；(d) 聚焦晶体内部，仅 A 型坑下方观测到孔洞

图 9 调节聚焦深度观测晶体内部不连续孔洞（130 ℃、50% KOH 腐蚀 24 min (010) 样品）：(a) 聚焦表面 A 型腐蚀坑；(b) 调深聚焦，观测到 (100) 面沿 [001] 方向分布的不连续孔洞；(c) 进一步加深聚焦，观测孔洞末端与带状孔洞结构

图 10 A 型腐蚀坑内部结构 SEM 与暗场扫描透射图（130 ℃、50% KOH 腐蚀 24 min (010) 样品）：(a) 聚焦离子束透射样品制备区域 SEM 图；(b) 暗场 STEM 观测 A 型坑下方缝隙结构，插图为电子衍射花样

图 11 (010) 晶向样品腐蚀坑密度统计图：(a) 光学图，红色矩形统计区域内 A 型孔洞密度约 1.1 ×10⁴ cm⁻²，B、C 型位错密度约 1.1 ×10⁴ cm⁻²；(b) 扫描电镜图，红色圆圈标记孔洞、绿色圆圈标记位错，孔洞密度 1 ×10⁴ cm⁻²、位错密度 7 ×10³ cm⁻²；红色矩形为计数区域

图 12 (010) 晶向样品孔洞与位错密度箱线统计图

DOI ：

10.1063/5.0320587