近日，杭州鎵仁半導體聯合浙江大學研究團隊，在β-氧化鎵（β-Ga2O3）單晶生長領域取得關鍵技術突破！在國際知名期刊Crystal Growth & Design第25卷/第3期發表了題為《Highly Coherent Grain Boundaries Induced by Local Pseudomirror Symmetry in β-Ga2O3》的研究論文。  β-Ga2O3是一種極易在單晶生長與外延過程中產生孿晶的材料，嚴重制約了單晶生長與外延的良率提升。本研究從對稱性（Symmetry）原理出發，首次提出了β-Ga2O3中的準對稱性（Pseudo Symmetry），成功解析了（100）孿晶界與“共格非對稱孿晶界”的物理起源，破解了β-Ga2O3易形成孿晶的“基因”。有助于從科學原理與工程設計的層面提升單晶生長與外延的良率，為高性能器件開發掃清關鍵障礙。參考此研究結果，鎵仁研發團隊基于自研氧化鎵專用設備對β-Ga2O3生長工藝開展優化迭代，初步解決了孿晶這一行業難題。

Part.01文章導讀

對稱性是宏觀世界的核心概念之一，從天體運動的角動量守恒，到自然生物的形態與功能，都深受對稱性的影響。即便在更為微觀的原子尺度，對稱性亦不可或缺。對于晶體材料的透徹理解，同樣離不開對其對稱性的深刻認識，β-Ga2O3也并不例外。β-Ga2O3是一種具有廣闊應用前景的寬禁帶半導體材料。眾所周知，β-Ga2O3的空間群為C2/m，相較于具有P63mc空間群的4H-SiC與GaN，其對稱操作更少，對稱性也更低。在圖1所示β-Ga2O3單胞中，存在具有鏡面對稱性的（010）面，以及具有二次旋轉對稱性與螺旋旋轉對稱性的[010]晶向。

【圖1】 β-Ga2O3單胞中的標準對稱性

然而，在上述嚴格的對稱性之外，β-Ga2O3還具有特殊的“準對稱性”（Pseudo Symmetry）。如圖2（a）所示，β-Ga2O3具有“準鏡面對稱”的原子層結構，“準鏡面對稱”的含義是，該層原子的鏡像和它本身之間的位置并不嚴格重合，但僅僅差了微不足道的一點距離。該原子層的“準鏡面對稱”面垂直于（100）面，在圖2（a）中標注為黑色虛線，該“準對稱面”的間距為：

這一“準對稱性”使β-Ga2O3的單晶生長和外延過程中極易出現（100）面的孿晶。正如圖2（b）所示，在形成孿晶結構后，孿晶界面處幾乎沒有原子的位移與鍵的扭曲，其孿晶界面能僅為0.008J/m2——幾乎等于沒有！

【圖2】 （a）β-Ga2O3中的準對稱原子層；（b）建立于準對稱性上的β-Ga2O3的（100）面孿晶

此時，另一個巧合出現：β-Ga2O3的單胞結構存在特殊的“晶格巧合”，如圖3（a）所示：

這種“晶格巧合”與“準對稱性”疊加，使β-Ga2O3中存在兩種特殊“孿晶核心”，如圖3（b）和（c）所示。

【圖3】（a）β-Ga2O3的特殊“晶格巧合”；（b）β-Ga2O3中的A型孿晶核心；（c）β-Ga2O3中的B型孿晶核心

圖3（b）和（c）中的“孿晶核心”的三維拓展，構成了圖4中的一系列的孿晶界面結構。微觀上，它們可被視為由“孿晶核心”串成的孿晶鏈；而宏觀上，這些界面結構表現為由不同晶面構成的孿晶。例如，圖4（b）中的界面結構，宏觀上就表現為β-Ga2O3的（002）面與（20-2）面產生了孿晶！在此，我們將其命名為“共格非對稱孿晶界”（Coherent Asymmetric Grain Boundaries，CAGBs）。

【圖4】（a）-（f）由孿晶核心拓展成的三位共格非對稱孿晶；（g）共格非對稱孿晶在宏觀上表現為由兩個不同的晶面組成的孿晶界；（f）構成共格非對稱孿晶的晶面的表面能

共格非對稱孿晶界在β-Ga2O3的單晶生長與外延中扮演著不可忽視的角色。如圖5所示，在采用直拉法生長2英寸β-Ga2O3單晶時，我們觀察到了共格非對稱孿晶的結構，并通過圖5（e）中的HAADF-STEM以及第一性原理計算，明確了圖4（b）為最穩定的β-Ga2O3共格非對稱孿晶結構。

【圖5】 采用直拉法生長的2英寸β-Ga2O3單晶中的共格非對稱孿晶，采用（a）偏光應力儀；（b）光學顯微鏡；（c）TEM；（d）STEM與（e）HAADF-STEM觀察的共格非對稱孿晶的結構。

我們以β-Ga2O3（100）面襯底的臺階流外延為例，說明共格非對稱孿晶對β-Ga2O3外延的重要作用。大量研究表明，β-Ga2O3（100）面可以通過斜切的方式實現臺階流生長，以提升外延質量。然而，斜切方向對外延質量的決定性作用的原理，依然懸而未解（APL Mater. 7 022515 (2019)）。在此，我們需要強調共格非對稱孿晶界的關鍵作用。如圖6（a）所示，（100）面襯底沿著[001]斜切暴露出(001)面的臺階面，沿著[00-1]斜切暴露出(-201)的臺階面。在沿著[001]斜切暴露出的（001）臺階面處，因共格非對稱孿晶的存在，會形成一種孿晶缺陷，它的能量密度是3.11J/m2，甚至低于無孿晶缺陷的能量密度3.26J/m2——這意味著在外延過程中，孿晶會自發形成！然而，在沿著[00-1]斜切的（100）襯底上，（-201）臺階面抑制了相關孿晶缺陷的形成。因此，為了提高外延的質量，合理選擇β-Ga2O3襯底的方向，是至關重要的。

【圖6】 （a）β-Ga2O3（100）襯底沿[001]方向斜切暴露出（001）臺階面，沿[00-1]方向斜切暴露出(-201)臺階面。（b）在（001）臺階面上，由共格非對稱孿晶導致的臺階處的孿晶缺陷，其能量低于無缺陷的臺階。

Part.02總結

在這項開創性的研究成果中，鎵仁半導體聯合浙江大學研究團隊首次提出了“準對稱性”與“晶格巧合”的理論，并通過深入解析孿晶界的物理機制，成功攻克了長期困擾行業的晶體缺陷難題，并實現了2英寸(010)面無孿晶β-Ga2O3襯底的量產，（新進展︱杭州鎵仁半導體實現直拉法2英寸N型氧化鎵單晶生長）標志著我國在寬禁帶半導體領域的科學與工程實力邁上新臺階。展望未來，鎵仁半導體將持續致力于推動國家寬禁帶半導體產業發展，深耕氧化鎵領域科技創新，為客戶提供高性價比的優質氧化鎵產品，爭做行業技術引領者。詳細內容，請閱讀原文（DOI：10.1021/acs.cgd.4c01504）