【国际论文】APL丨日本三重大学、精细陶瓷中心团队：(011) 取向垂直布里奇曼 β-Ga₂O₃ 衬底中的位错

日期：2026-09-07阅读：76

由日本三重大学、日本精细陶瓷中心的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Dislocations in (011)-oriented vertical Bridgman β-Ga₂O₃ substrates（(011) 取向垂直布里奇曼 β-Ga₂O₃ 衬底中的位错）的文章。

背景

β-Ga₂O₃ 凭借 4.5 eV 超宽禁带与 8 MV/cm 超高理论击穿场强，是高压功率器件核心候选半导体材料，厚低掺杂漂移层器件可实现千伏级击穿电压，适配电网变换、车载功率芯片等场景。衬底晶向直接决定同质外延薄膜结晶质量，(100)、(201) 衬底易生成孪晶缺陷，(001)、(010) 外延后表面出现线状凹坑，必须化学机械抛光处理，大幅提升制造成本。近年 (011) 取向衬底受到广泛关注，其外延层无线状凹坑、氯杂质掺入量更低，可制备 10 kV 以上大功率垂直晶体管，但现有缺陷研究多聚焦导模法生长的 (001) 基片，针对垂直布里奇曼法制备 (011) 衬底的位错构型、三维传播规律尚无系统解析；学界仅推测 (011) 面可隔绝致坑位错，未区分不同晶体生长工艺带来的位错类型差异，畴界取向差量级、位错与外延漏电流的关联机理仍存在研究空白，制约 (011) 基大功率氧化镓器件的迭代优化。

主要内容

本研究采用 X 射线形貌术（XRT）结合 X 射线网格衍射成像技术，探究垂直布里奇曼法生长 (011) 取向 β-Ga₂O₃ 衬底内部位错。透射型 XRT 观测到位于 (001) 晶面、沿 [010] 方向延伸的位错，该类位错会形成与畴界耦合的位错阵列；研究同时识别出分布在 (011) 面上的位错，其与 (001) 外延层产生线状凹坑的位错类型存在明显区别。反射型 XRT 结果与透射测试相互印证，可依据衬度特征完成不同位错分类；网格衍射成像证实衬底畴界取向差约为 10⁻⁵ rad，为理解外延生长与器件性能相关的缺陷演化机制提供依据。

创新点

①采用透射/反射 X 射线形貌术联合网格衍射成像，首次系统表征垂直布里奇曼法 (011) β-Ga₂O₃ 衬底内部三维位错分布。

②识别两类核心位错：与畴界伴生、沿 [010] 延伸的 (001) 面位错阵列，以及传播特征存在差异的独立 (011) 面位错。

③阐明垂直布里奇曼晶体的 (011) 面位错与导模法生长 (001) 衬底外延层中产生线状凹坑的位错分属不同类型，根源为晶体生长工艺差异。

④定量证实衬底畴界取向差量级为 10⁻⁵ rad，揭示畴界同时存在扭转、倾斜两类复合晶格畸变。

结论

综上，本研究结合透射、反射 X 射线形貌术与 X 射线网格衍射成像技术，探究垂直布里奇曼法制备 (011) 取向 β-Ga₂O₃ 衬底的位错演化规律。透射 XRT 测试表明绝大多数位错分布在 (001) 晶面、沿 [010] 方向延伸，并形成与畴界绑定的位错阵列；实验同时观测到沿 [100] 延伸的 (011) 面位错，该类位错与 (001) 外延层产生线状凹坑的缺陷不属于同种类型。反射 XRT 与透射测试结果匹配良好，可依靠图像衬度完成位错类型区分；网格衍射成像定量验证畴界取向差约 10⁻⁵ rad，与位错阵列密度匹配。柏格斯矢量分析显示主流位错的柏格斯矢量平行于 [010] 方向，结构更复杂的二类位错阵列包含多种矢量组分的位错。

研究证明 (011) 衬底内部位错演化规律远比现有认知复杂，且受晶体生长工艺影响显著，在面向外延优化衬底时，必须同步考量晶向与制备工艺双重因素。

图 1 (a) β-Ga₂O₃ 晶体 (011) 极图；(b)(c) 两束光 Borrmann 效应测试条件下样品与荧光屏实拍图。

图 2 (a) 包含孤立位错与位错阵列的透射 XRT 图像；(b) 沿 [100] 排布一类位错阵列，位错分布于 (001) 面且沿 [010] 延伸；(c) 沿 [100] 延伸、衬度均匀的面内平行位错；(d) 晶体几何结构示意图，灰色代表 (0-1-1) 面、红色代表 (001) 面，绿色箭头标注 [010] 晶向。

图 3 (a) 反射型 X 射线形貌图像；(b) 衬度均匀的一类位错阵列；(c) 尺寸更大、具备头尾衬度特征的孤立位错。

图 4 (a) 沿 [100] 分布位错阵列的反射 XRT 图；(b) 对应网格衍射成像图；(c)(d) 网格孔径强度极值图，可表征取向差约 10⁻⁵ rad 的畴界畸变；(e) 可观测扭转型晶格取向差示意图；(f) 可观测倾斜型晶格取向差示意图。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0342711