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一周晶体前沿，一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览，我们已将其摘要译成中文。本期推出由厦门大学张洪良教授精心整理的关于宽禁带半导体氧化镓晶体研究前沿。

索引

1. 熔融法生长 β-Ga2O3 单晶中的微观偏析现象及相关光谱信号研究

2. 通过显微镜对 β-Ga2O3 进行微观尺度的缺陷分析

3. 基于超窄窗口条纹掩膜的 c 面 α-Ga2O3 横向外延过度生长研究

4. 在 (001) Ga2O3 衬底上高速金属有机化学气相沉积外延 β-Ga2O3 薄膜的研究

5. 具有 58 A 浪涌电流和关断态应力研究的 1.5 kV β-Ga2O3 垂直 SBD

#1

熔融法生长 β-Ga2O3 单晶中的微观偏析现象及相关光谱信号研究

高温稳定的超宽禁带半导体 β-Ga2O3 因优异的光电和功率特性，在新一代高功率电子器件和深紫外探测领域受到广泛关注。熔融法生长可实现大尺寸单晶的制备，但同时带来杂质偏析与组分非均匀等问题，限制了器件性能的进一步提升。近期，美国华盛顿州立大学 John S. McCloy 研究团队采用拉曼光谱、光致发光和激光剥蚀质谱等手段，系统揭示了熔融法生长 β-Ga2O3 晶体中的 Ir、Cr 等杂质的微观偏析行为及其光谱响应机制，解释了杂质协同掺杂、费米能级调控与局域电学性质之间的耦合关系。相关研究成果以“Micro-segregation phenomena and related spectroscopic signals in melt-grown β-Ga2O3 single crystals”为题发表在Journal of Applied Physics上。

摘要：

相较于现有的宽禁带半导体，β-Ga2O3 的主要优势在于可通过熔体直接生长。采用 Czochralski 法或类似方法的生长晶体过程中，往往会引入来自坩埚的杂质元素，如 Ir 及其他过渡金属元素（如 Cd、Cr）。这些杂质元素呈现出特征性的光电响应信号，既可用于杂质的识别，又对晶体的费米能级敏感，即其光谱特征会随母体材料电导率的变化而改变。本研究展示了如何利用激光拉曼系统对 Cr3+ 的光致发光、Ir4+ 的 d-d 内部跃迁耦合拉曼散射信号及与氢类浅施主有关的拉曼谱线进行空间映射与相关性分析。通过激光烧蚀-感应耦合等离子体质谱进一步对金属杂质的相对空间分布进行直接测量，结果验证了由杂质浓度不均所引起的光谱响应差异。因此，本文表明光致发光与拉曼信号的空间映射是一种有效且简便的方法，可用于对熔体生长的 β-Ga2O3 晶体（无论是绝缘型还是导电型）中的化学组分不均匀性进行空间分辨分析。

文章信息：

B. L. Dutton, C. Remple, J. Huso, et al. Micro-segregation phenomena and related spectroscopic signals in melt-grown β-Ga2O3 single crystals. J. Appl. Phys., 2025, 137(17): 175703.

DOI:10.1063/5.0229858

#2

通过显微镜对 β-Ga2O3 进行微观尺度的缺陷分析

β-Ga2O3 作为一种新兴的超宽禁带半导体材料而备受关注。缺陷作为影响材料性能和器件可靠性的关键因素，是制约 β-Ga2O3 材料发展应用的重要瓶颈。β-Ga2O3（010）面常用于射频功率器件的研究，但相关缺陷形成机制的研究仍十分有限。美国国家标准与技术研究院 Sujitra Pookpanratana 研究团队通过纳米尺度显微技术的综合运用，揭示了 n 型（010）β-Ga2O3 外延层中两类沿 [001] 晶向排列的线缺陷。该研究为优化 β-Ga2O3 外延生长工艺、提升功率器件性能提供了重要理论依据。特别是针对（010）晶面缺陷的形成机制进行了深入解析，对开发高性能射频功率器件具有重要指导意义。相关研究成果以“Microscopic-scale defect analysis on β-Ga2O3 through microscopy”为题发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

β-Ga2O3 是一种宽禁带半导体材料，凭借独特的性能及大尺寸、高质量衬底的可获取性，有望突破现有大功率器件的性能与成本瓶颈。然而，β-Ga2O3 功率电子技术目前仍相对不成熟，要实现可靠大功率器件的商业化生产，必须深入了解限制 β-Ga2O3 性能的扩展缺陷。尽管人们已对 β-Ga2O3 衬底中的多种缺陷进行了表征，但对于同质外延生长的 β-Ga2O3 中缺陷的研究还相对较少，这对外延生长高质量的功率器件有源层至关重要。本研究运用光发射光谱、透射电子显微镜（TEM）及其他互补的光谱和显微技术，对通过氢化物气相外延（HVPE）法在（010）晶面同质外延生长的 β-Ga2O3 体电子特性和扩展结构缺陷进行了表征。观察到两种沿 [001] 晶轴排列的线性表面缺陷，其中一种缺陷由微米级颗粒和凸起的尾部物质组成，另一种则表现为表面凹槽。较大的颗粒是富镓相，很可能在 HVPE 生长早期就已出现，从而破坏了表面结构；而凹槽缺陷本质上是结构问题。缺陷蚀刻和 TEM 分析表明，这些线性缺陷与不同的位错结构相关，这也解释了在不同缺陷处测得的局部电导率存在差异的原因。本研究结果强调，要实现大面积功率器件更高质量的外延生长，仍需对衬底进行适当的表面处理。

文章信息：

M. Y. Kim, A. J. Winchester, A. F. Myers, et al. Microscopic-scale defect analysis on β-Ga2O3 through microscopy. Appl. Phys. Lett., 2025, 126(23): 231605.

DOI: 10.1063/5.0272451

#3

基于超窄窗口条纹掩膜的 c 面 α-Ga2O3 横向外延过度生长研究

α-Ga2O3 作为刚玉结构材料，因超宽禁带（5.2~5.3 eV）和异质结兼容性成为功率器件的新兴候选者。α-Ga2O3 可与 α-(AlGa)2O3 形成固溶体从而实现能带调控，并能与 p 型 α-(IrGa)2O3 构建晶格匹配异质结，突破氧化镓体系 PN 结制备的关键瓶颈。然而由于缺乏商业化单晶衬底，α-Ga2O3 需在蓝宝石上异质外延，但高达 4.5% 的晶格失配导致位错密度飙升至 ~1010 cm-2。理论模拟证实，位错密度必须压降至 107 cm-2 以下才能消除载流子散射效应。传统横向外延生长技术虽能部分降低位错，但受限于光刻精度，缺陷仍可通过窗口区域向上延伸，使得整体位错密度无法突破种子层水平。近日，日本国立材料研究所 Yuichi Oshima 研究团队开创性采用电子束光刻技术制备超窄条纹掩模，其窗口宽度仅 50 nm，通过卤化物气相外延实现位错传播的物理阻断。该技术突破性地解决了异质外延中高位错密度（~1010 cm-2）的行业难题，将整体位错密度降至 4×107 cm-2，较传统微米级窗口降低两个数量级，并通过透射电子显微镜（TEM）验证了掩模上无杂散晶核生成，阐明了位错传播抑制机制，为高性能功率器件奠定材料基础。相关研究成果以“Epitaxial lateral overgrowth of c-plane α-Ga2O3 using a stripe mask with ultra-narrow windows”为题发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

本研究通过卤化物气相外延技术，利用窗口宽度为 50~750 nm 的超窄条纹掩模，首次实现了 c 面 α-Ga2O3 的横向外延生长。试验表明，即便在最小 50 nm 窗口条件下，α-Ga2O3 仍能选择性在窗口区域成核，且掩模表面无杂散晶粒生成。蚀刻坑观测与截面 TEM 分析揭示，窗口宽度的减小可显著抑制位错向再生层中的传播。当采用 50 nm 窗口掩模时，包含窗口区域与融合边界在内的薄膜的整体位错密度降至 4×107 cm-2。本研究表明，卤化物气相外延技术为基于 α-Ga2O3 的高性能功率器件实现提供了关键材料基础。

文章信息：

Y. Oshima, T. Shinohe. Epi