【会员论文】ASS丨大连理工大学梁红伟教授团队：缺陷诱导的各向异性应变导致(001) β-Ga₂O₃同质外延薄膜中锯齿状裂纹

日期：2026-09-29阅读：228

近日，大连理工大学集成电路学院梁红伟团队在学术期刊Applied Surface Science发表题为“The defect-related anisotropic strain induced saw-like cracking in the (001) β-Ga₂O₃ homoepitaxial film”的研究论文。该工作深入揭示了β-Ga₂O₃ (001)同质外延薄膜中条纹状沟槽缺陷下方的晶格畸变特征，阐明了缺陷诱导的各向异性应变如何导致垂直SBD器件产生锯齿状开裂的物理机制。

背景

β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体材料，具有4.8-4.9 eV的禁带宽度、高达8 MV/cm的理论击穿电场以及3444的Baliga优值，在功率电子器件、深紫外光电探测器和极端环境应用中展现出巨大潜力。然而，外延生长过程中从衬底延伸至外延层的缺陷以及外延过程中产生的缺陷，不仅作为非辐射复合中心降低载流子寿命，还会恶化外延层表面质量，导致击穿电压降低和器件长期可靠性受损。因此，深入理解β-Ga₂O₃外延层中应力积累、晶格畸变、缺陷产生与表面形貌演化之间的内在关系，对于优化外延工艺和提升器件性能至关重要。

主要内容

一、条纹状沟槽区域载流子寿命显著缩短

研究团队采用氧化物气相外延(OVPE)法在Sn掺杂β-Ga₂O₃ (001)衬底上生长同质外延薄膜。SEM观察(001)外延层表面有沿[010]方向拉长的条纹状沟槽缺陷。PL光谱显示条纹状沟槽区域与邻近区域的深能级发光峰位置完全一致(350、385和434 nm)，但TRPL测试表明沟槽区域在350、385和434 nm三个波长下的载流子寿命均明显短于沟槽邻近区域。这表明沟槽区域有更多载流子参与缺陷相关复合过程，导致更快的淬灭速率，与自陷激子发射密切相关。

二、沟槽下方存在(-401)旋转畴与显著各向异性应变

HRTEM和SAED分析揭示，条纹状沟槽区域及附近区域普遍存在(-401)旋转畴，伴随堆垛层错和倾斜位错线。沟槽下方区域单胞的β角增大至约105.18°，a轴和c轴的(400)和(002)面间距均明显伸长，表明存在沿b轴方向的自发压应力。而在邻近区域，虽然同样存在(-401)旋转畴，但(400)面间距接近体材料值，β角减小约0.75°，晶格畸变程度明显较轻。具体参数在表Ⅰ中呈现。

三、AFM证实旋转畴导致表面角度增加

AFM表征显示，邻近区域(-401)面与(001)衬底表面的夹角约为3-4°，与理论计算值一致；而条纹状沟槽区域该夹角展宽至6-8°。这一结果进一步证实了沟槽区域因缺陷诱导的各向异性应变累积导致了更严重的晶格畸变。

创新点

①β-Ga₂O₃(001)外延薄膜条纹状沟槽区域下方存在缺陷诱导的(-401)旋转畴。

②旋转畴相关的晶格畸变产生各向异性应变，表现为a轴和c轴拉伸以及β角显著展宽。

③这种各向异性应变等效于沿b轴方向的压应力。

④具有自发各向异性应变的(-401)旋转畴，当应力积累超过临界值将导致β-Ga₂O₃(001)垂直SBD沿(100)和(001)面发生锯齿状开裂。

结论

该研究提出了完整的物理模型：条纹状沟槽区域(-401)旋转畴的出现表明存在强各向异性应变积累，表现为a轴和c轴伸长及β角增大，等效于沿b轴方向的压应力。当累积应力超过临界阈值时，解理优先沿旋转畴体系的(100)和(001)面发生，最终产生锯齿状裂纹。这一机制很好地解释了近期报道的β-Ga₂O₃(001)垂直SBD击穿时产生锯齿状裂纹的现象，与纳米压痕实验结果一致，为优化外延工艺和提升器件可靠性提供了重要的理论依据。

图1. (a) (001) β-Ga₂O₃同质外延薄膜的XRD θ-2θ图像, (b) (001) β-Ga₂O₃同质外延层的表面形貌，插图为FIB-SEM图像, (c) BF-TEM图像，其中条纹状沟槽正后方区域（蓝色矩形）和邻近区域（绿色矩形）, (d) 沟槽及其邻近区域的归一化PL图谱, (e)和(f) 分别为沟槽及其邻近区域的TRPL图谱。

图2. (a) 条纹状沟槽区域的高角度暗场环形(HAADF)图像(图1(c)蓝色框区域), (b) 对应的SAED图谱, (c) 白色箭头指出层错附近的HRTEM图像, 分别从c轴和a轴两个方向提取区域-Ⅰ和区域-Ⅱ的晶格间距, 并展示了两区域中(400)和(002)的晶面间距. (d) 条纹状沟槽附近区域的HRTEM图, (e) 相对应SAED图谱。

图3. (a) 条纹状沟槽附近区域的AFM图, 插图是虚线1的轨迹图, (b) 沟槽区的AFM图, 插图是虚线2的轨迹图, (c)和(d) 从[0-10]方向观察, 分别展示了外延层中发生面内旋转时，条纹状沟槽附近和沟槽区(-401)平面与衬底角度。

图4. (a) 理想的、与(001)衬底平面平行的外延(001)表面, 裂纹呈现台阶状, (b) 缺陷区域的表面以(-401)旋转畴为主, 裂纹呈现锯齿状。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.168380