西电郝跃院士、马晓华教授联合西邮团队：原子尺度原位TEM研究电子束诱导α-Ga₂O ...

由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授联合西安邮电大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Atomic-scale in situ TEM investigation of electron beam-induced repair of multiple defects in α-Ga2O3 heterogeneous epitaxial single-crystal films（原子尺度原位透射电子显微镜研究电子束诱导 α-Ga2O3 异质外延单晶薄膜中多缺陷修复机制）的文章。

Part.1/ 项目支持

本研究得到了国家自然科学基金（62274130，62188102，62204185，62574157）、陕西省自然科学基础研究计划（2024JC-YBMS-310）、陕西省科学技术厅基金（2016FWPT09）、中国博士后科学基金（2024T170693）、新疆维吾尔自治区天池英才计划、中央高校基本科研业务费专项资金以及西安电子科技大学创新基金的支持。作者感谢西安电子科技大学分析测试中心的技术支持，同时衷心感谢西北工业大学分析测试中心的杨修波博士在透射电子显微镜表征方面的帮助。

Part.2/ 背景

本研究属于宽禁带半导体材料与缺陷工程领域，具体关注 α 相氧化镓（α-Ga2O3）。因其比 β 相更高的巴利加优值（BFOM）和禁带宽度（5.3 eV），在功率电子和日盲探测器应用中潜力巨大。然而，异质外延生长的 α-Ga2O3 薄膜存在高密度位错，严重制约了器件性能与可靠性。传统方法主要通过优化生长工艺来在生长过程中降低缺陷。对于生长完成后的材料，缺乏有效的后处理修复手段。近年来，有研究发现在透射电镜中，电子束辐照可以诱导其他半导体材料修复缺陷。鉴于 Ga2O3 对辐照敏感，本研究旨在探究电子束辐照是否能够诱导 α-Ga2O3 中多种缺陷的修复，并阐明其原子尺度机制。

Part.3/ 主要内容

在 α-Ga2O3 外延生长过程中，高密度位错影响材料质量和器件性能。本研究探讨了透射电子显微镜（TEM）电子束照射对 α-Ga2O3 中不同缺陷的影响。针对位错，基于不同衍射向量的原位暗场图像与高分辨率TEM图像均表明：经电子束辐照（2500 e/Å2s）后，可观察到伯格斯向量为 1/3⟨11-23⟩ 和 1/3⟨1-100⟩ 的位错发生修复现象。对于较大尺寸缺陷，经 2500 e/Å2s 电子束照射 39 分钟后，纳米坑（8 × 5 nm2）沿 (⁠10-14⁠) 方向得到显著修复。在相同强度电子束照射 42 分钟后，纳米孔（10 × 9 nm2）因损伤更为严重，仅沿 (0006) 方向实现部分修复。该发现为减少二维 α-Ga2O3 缺陷提供了新途径，有助于深入理解二维 α-Ga2O3 特性及开发基于该材料的各类器件。同时，在器件制造过程及空间器件可靠性评估中需考量电子束辐照的潜在影响。相反，这项工作也为其他可能对电子束照射敏感的半导体材料的缺陷修复提供了积极指导。

Part.4/ 亮点

● 首次在原子尺度实时、原位地观察并证实了电子束辐照能够诱导 α-Ga2O3 中多种类型缺陷的修复，提供了从晶格像到衍射衬度的多维度直接证据。

● 为降低二维 α-Ga2O3 及其他对电子束敏感的半导体的缺陷密度、提升材料质量提供了一种新颖的后处理修复手段，具有潜在的应用前景。

● 揭示了在基于 α-Ga2O3 的器件制造过程和空间等高辐射环境应用中，电子束辐照可能不可忽视地改变器件微观结构和性能，为器件可靠性设计提供了重要参考。

Part.5/ 结论

本研究系统性地探讨了透射电子显微镜电子束照射对 α-Ga2O3 中不同类型和尺度的缺陷的影响。对于位错，基于不同衍射向量的原位衍射图像和高分辨率透射电子显微镜图像均表明，在电子束照射（2500 e/Å2s）后，观察到具有 1/3⟨11-23⟩ 和 1/3⟨1-100⟩ 伯格斯向量的位错发生了修复。相反，对于尺寸约为 8 × 5 nm2 的纳米坑，在被强度为 2500 e/Å2s 的电子束照射一段时间后，该纳米坑基本上沿 (10-14) 方向修复；但电子束照射修复缺陷的能力是有限的。另一尺寸约为 10 × 9 nm2 的纳米孔，经相同强度电子束照射一段时间后，沿 (0006) 方向部分修复，但中心区域仍保持纳米孔结构。目前，α-Ga2O3 的主流应用仍基于外延薄膜的半导体器件，尚未有基于二维 α-Ga2O3 的实际半导体器件报道。然而，多项关于二维 α-Ga2O3 的理论计算研究表明，其具有应变可调的电子特性、载流子迁移率及光吸收特性，这使得二维 α-Ga2O3 非常适合应用于低维电子与光电子器件领域。当 α-Ga2O3 应用于二维结构或器件时，其形态更接近透射电子显微镜样品。此时，电子束辐照在降低缺陷密度和改善材料质量方面可发挥类似作用。同时，电子束辐照已成为器件制造工艺及器件工作环境选择过程中需重点考虑的关键因素。

图1. (a) α-Ga2O3 外延单晶薄膜横截面的低倍透射电子显微镜图像；(b) α-Ga2O3 外延单晶薄膜的放大图像； (c) α-Ga2O3/α-Al2O3 界面 SAED 图像；(d) α-Ga2O3 薄膜 HRTEM 图像；(e) (d) 图中黄虚框区域的 IFFT 图像；(f) (e) 图中蓝框区域的强度分布曲线图。