在半导体材料科学领域，β-Ga2O3作为一种新兴的超宽带隙半导体材料，凭借优异的物理性能和在器件中的高性能表现，逐渐成为研究的热点。然而，晶体中的位错缺陷会导致器件漏电、击穿电压下降。缺陷作为影响材料性能和器件可靠性的关键因素，一直是制约β-Ga2O3材料应用的重要瓶颈。但是传统检测方法（如腐蚀法）破坏样品且无法全局观测，并且截至目前对于氧化镓位错的类型和形貌也没有系统的整理。
《人工晶体学报》2025年54卷第3期“氧化镓晶体与器件”专题（下辑）发表了来自中国科学院上海光学精密机械研究所的研究论文《导模法生长氧化镓晶体中的位错缺陷及其分布特点》（第一作者：杨文娟；通信作者：赛青林）。本文作者突破了传统缺陷分析方法的局限，创新性地引入X射线形貌分析术（XRT）并结合酸性腐蚀法，对导模法生长的β-Ga2O3晶体的位错缺陷进行了深入研究。系统分析了β-Ga2O3晶体(001)、(010)、(100)三个晶面的位错分布特征，并揭示了位错在三维空间中的分布规律。研究发现，沿着b轴[010]方向的位错在导模法生长的β-Ga2O3晶体中占主导地位。此次XRT全貌分析为理解β-Ga2O3位错的结构和特征提供了宝贵信息，还为后续的外延生长和器件制备提供了重要参考。论文题录●●
杨文娟, 卜予哲, 赛青林, 齐红基. 导模法生长氧化镓晶体中的位错缺陷及其分布特点[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(3): 414-419.
YANG Wenjuan, BU Yuzhe, SAI Qinglin, QI Hongji. Dislocation Defects and Their Distribution Characteristics in Ga2O3 Crystal Grown by Edge-Defined Film-Fed Growth Method[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(3): 414-419.
//文章导读
本文采用杭州富加镓业科技有限公司提供的通过导模法制备的β-Ga2O3晶坯，经过加工和清洗，得到(100)、(010)和(001)三个面的晶体。使用Berg-Barrett基X射线衍射形貌法测试氧化镓近表面的缺陷信息，观察晶体中的位错等缺陷的分布及走向。另外，为了对照观察不同晶面上微观缺陷特征，使用150 ℃磷酸刻蚀2 h，用共聚焦显微镜和AFM观察其形貌，对具有特征形貌的缺陷刻蚀坑进行进一步分析总结。
图1为(100)面在g=800下的XRT形貌图。从该面的缺陷分布来看，总体上主要有沿着[010]方向的位错线走向。另外还有着许多偏离原有方向的树枝状位错线，为氧化镓的位错线在(100)平面内发生了滑移所导致。此外发现一些点状及短线型的位错，但这种穿透性位错（threading dislocation）在（100）面上总体分布很少。
图1 β-Ga2O3 (100)面XRT图
进一步对（100）面的氧化镓单晶进行腐蚀，图2是(100)面的腐蚀形貌图，腐蚀坑形状呈现橄榄型，左右不对称。结合XRT说明位错滑移导致(100)面与b轴偏离了一定角度，故其位错核心总是偏离位错刻蚀坑的中心。
图2 (100)面的腐蚀形貌图
图3(a)为(001)面氧化镓在g=004和g=314时的XRT形貌。在(001)面发现氧化镓位错线的走向也是基本沿着[010]方向，对于这些长条形的线型位错，在腐蚀的时候并没有观察到特定的形貌。另外可以发现一些近似与<010>垂直的位错线及露头位错点，并给出实线箭头指示的位错伯氏矢量应为1/2[1-30]或1/2[1-32]，虚线箭头指示的位错伯氏矢量可能为[010]或[100]。图3(b)展示了1/2[1-30]或1/2[1-32]伯氏矢量所在的(-3-10)面，可以看到它沿着八面体双链的共棱边方向，而共棱连接不够稳定，所以在这个方向产生滑移更有可能。
图4为子弹头的腐蚀坑形貌图，对应于(001)面的贯穿型点状位错，即(100)面偏离[010]方向的树枝型位错的露头。
通信作者●●
赛青林，博士，2013年毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所。现为中国科学院上海光学精密机械研究所副研究员，主要研究领域为宽禁带半导体氧化镓单晶、晶体生长、缺陷分析及光电性能。以通信作者或第一作者身份发表了多篇学术论文，深入探讨了氧化镓单晶的导电机制、缺陷分析及光电性能等课题。此外，作为项目负责人承担国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、上海市科委科技攻关项目、上海市自然科学基金等项目，入选2021年度中国科学院青年创新促进会。
来源：人工晶体学报
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