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西湖大学改日产业盘问中心、西湖大学工学院孔玮盘问员斥地出一种新才能，初度终澄莹β-Ga₂O₃ (100)面无斜切衬底上的单晶同质外延，展示了在β-Ga₂O₃基功率器件中的普遍应用后劲。关系使命以“Single-Crystalline β-Ga2O3 Homoepitaxy on a Near Van der Waals Surface of (100) Substrate”为题发表于Advanced Science。
氧化镓(β-Ga₂O₃)因其高击穿电压和低导通电阻特色在宽禁带半导体功率器件中具有应用后劲而受到了世俗关怀。由于β-Ga₂O₃优良的材料特色，其被觉得是碳化硅(SiC)的强有劲竞争者。Ga₂O₃具有五种不同的晶型，其中β-Ga₂O₃是最相识且顺应熔体滋长的晶型，这使得其大约被加工成与硅肖似的低资本、大尺寸衬底。咫尺，8英寸(100)面的β-Ga₂O₃晶圆仍是被顺利坐褥，其晶圆尺寸预测改日将被进一步扩大。但是，在(100)面衬底上进行同质外延滋长仍濒临挑战，原因是外延层中存在高密度的孪晶，这些颓势会权臣缩小载流子移动率并放肆器件性能。
β-Ga₂O₃ (100)面施展出较弱的层间相互作用，其(100)B面的名义能为 0.34 J/m²，与石墨和二硫化钼(MoS₂)等二维材料的名义能特殊。(100)面的弱层间键使得其在外延经过中濒临肖似于范德华外延滋长所遭逢的挑战。举例，典型的范德华材料MoS₂不错在蓝援救上外延滋长，但由于成核经过中不同取向之间的能量差极小，时时会形成多重孪晶（这由蓝援救对称性决定）。雷同，由于(100)B面肖似于范德华名义，使得孪晶形成能终点低（0.02 J/m²）而极易形成面内旋转180°的反向孪晶。因此，在(100)面β-Ga₂O₃衬底上进行同质外延滋长和器件制备的盘问受到方法，迄今尚未终了在无斜切(100)衬底上的单晶外延滋长。
西湖大学工学院孔玮团队初度在(100)衬底上给与类范德华外延式样顺利终澄莹单晶外延滋长β-Ga₂O₃。通过引入过量铟(In)算作名义活性剂，并在高Ga/O比的滋长条目下促进了不相识的孪晶阐发，并权臣擢升了Ga原子的名义扩散长度。这些终点规条目促进了单一取向的成核和沿台阶的横向滋长及兼并，以逐层滋长模式形成了具有原子级平坦名义的单晶β-Ga₂O₃薄膜。这一才能灵验哄骗了该材料体系大尺寸晶圆的资本上风，为基于β-Ga₂O₃ (100)面外延片斥地高性能器件提供了有远景的旅途。
图1. (100)面β-Ga₂O₃的名义能和外延颓势结构
本盘问最初讲究了(100)面β-Ga₂O₃衬底较低的名义能以过头极低的孪晶形成能，并指出这些特色酿成了与范德华外延相似的滋长模式，ag竞咪百家乐催生了传统β-Ga₂O₃ (100)面外延层中较高的孪晶密度。在传统式样外延成核的初期，AFM效用表示其主要呈岛状滋长模式，且EBSD揭示了部分外延岛与衬底的取向相背，进一步考据了成核初期存在大齐孪晶。
图2. β-Ga₂O₃ (100) 面上传统外延和单晶外延工艺滋长薄膜的表征
本盘问给与金属In算作名义活性剂，在高Ga/O比和高温条目下，促进β-Ga₂O₃薄膜在(100)衬底上的单晶外延滋长。通过HAADF-STEM、EBSD和RHEED表征，解释了外延的β-Ga₂O₃薄膜具备单晶质地。单晶外延膜在成核初期均形成同取向晶核，并以逐层滋长模式横向延迟成膜，形成了无孪晶外延薄膜。RHEED周期性轰动弧线也考据了薄膜的逐层滋长模式。
图3单晶β-Ga₂O₃薄膜的滋长能源学
单晶外延的终了依赖于两个关键要素：（1）单一取向晶核的形成；（2）晶核沿着该取向的横向延迟成膜。为了销毁传统滋长模式下易形成孪晶的问题，本盘问给与了偏离传统滋长机制的热力学均衡条目：通过擢升滋长温度和引入In金属名义活性剂，蛊惑高Ga/O比，促使过量镓原子和孪晶响应而阐发成Ga₂O，从而摒除孪晶。进一步通过擢升In/Ga比，灵验加多Ga原子的扩散长度，终澄莹逐层滋长模式，进而横向延迟兼并成单晶薄膜。通过AFM和RHEED等表征为该滋长模子提供了凭证撑抓。
图4 β-Ga₂O₃ (100)面上同质外延滋长的默示图和相图
本盘问将β-Ga₂O₃ (100)面上单晶外延滋长的经过展当今默示图中，并绘图了In参与的β-Ga₂O₃ (100)面同质外延滋长的相图。
本文亮点
1.顺利终了无孪晶的β-Ga₂O₃单晶外延滋长，通过引入过量铟(In)算作名义活性剂，并在高Ga/O比和高温滋长条目下，灵验促进了不相识孪晶的阐发，权臣擢升了Ga原子移动距离，将滋长模式滚动为逐层滋长并终澄莹β-Ga₂O₃ (100)基底上的原子级平整的单晶外延滋长。这一才能给与了单晶成核以及沿台阶横向滋长的政策，顺利克服了传统外延中常见的孪晶颓势问题，为高性能器件的斥地提供了新的途径。
2.通过缔造In参与的β-Ga₂O₃ (100)面同质外延滋长的相图，明确了温度和In/Ga比对滋长模式的影响。该相图为进一步优化β-Ga₂O₃ (100)面外延工艺提供了表面依据。
本盘问第一作家为西湖大学-浙江大学贯串培养博士生蒋彤和西湖大学科研助理王浩。西湖大学工学院特聘盘问员孔玮为本盘问通信作家。该使命取得了西湖大学改日产业盘问中心和西湖西席基金的资助支抓。
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