近日，贾志泰教授团队研究论文“导模法生长高质量氧化镓单晶的研究（第一作者贾志泰，通信作者陶绪堂）”入选“第六届中国科协优秀科技论文遴选计划”，论文于2017年在《人工晶体学报》第46卷第2期发表，以下为文章主要内容：

研究背景：

氧化镓（Ga2O3）晶体是一种新型的超宽禁带半导体材料，相比常见第三代半导体，它具有禁带宽度更大、与GaN晶格失配更小、透明导电、可以通过熔体法生长、成本更低等优点，近年来成为半导体材料及器件等领域的研究热点。它的禁带宽度为4.7-4.9 eV，共有 α、β、γ 等五种晶型，其中，β 型结构最稳定。β-Ga2O3属于单斜晶系，晶胞参数为a=12.214 Å，b=3.0371 Å，c=5.7981 Å，β=103.83°。β-Ga2O3晶体对称性较低，且存在(100)与(001)两个解理面，晶体生长中存在容易出现开裂和孪晶的困难。

研究内容：

本研究通过采用导模法，并不断改进模具、后热器、以及隔热材料的种类和结构，同时对晶体生长过程中的气体压力、气体流速、提拉速度、收径及放肩尺寸等工艺参数进行优化，最终获得了高质量的一英寸β-Ga2O3单晶，单晶宽度为25 mm，长度100 mm，如图1a,b所示，图1c为加工后的晶体照片。晶体外形完整，无色透明、无开裂、无气泡、无包裹等宏观缺陷。

图1 (a,b)导模法生长的β-Ga2O3晶体照片 (c)切割抛光后的晶体照片

实验发现，导模法生长晶体时，放肩过程是晶体逐渐铺满整个模具表面的过程，且模具表面的缺陷会引入新的晶核，从而导致出现杂晶或者引起晶体的开裂。除此之外，β-Ga2O3晶体的螺位错伯格斯矢量方向平行于<010>生长方向，螺位错的产生也增加了晶体开裂风险。因此，探索适当、稳定的生长工艺对于获取高质量氧化镓单晶具有关键意义。本研究通过长时间的收颈来减少甚至消除籽晶中的螺位错延伸至晶体中，同时在放肩阶段要求放肩尽量平缓，放肩速度均匀，避免大的功率波动。针对在氧化镓晶体生长过程中易出现的杂晶问题，研究提出若放肩过程中产生的杂晶延伸方向与晶体生长方向差别较大，可以进行二次放肩，杂晶将被逐渐被排除，如图2所示；若杂晶延伸方向与晶体生长方向相近，则可以采用二次收径的方法排除杂晶以便获得大面积的完整单晶。

图2 放肩过程中杂晶随生长逐渐被排除

研究使用高分辨X-射线衍射测试表征测定优化后生长的氧化镓晶体质量，如图3所示，测试结果显示晶体摇摆曲线半峰宽仅93.6弧秒，摇摆曲线对称性好，表示晶体质量较高，晶体结晶性好。

图3 导模法生长β-Ga2O3晶体摇摆曲线

结论与展望：

本研究采用收颈、二次收颈、平缓放肩等技术方法有效降低了晶体生长中杂晶及开裂的产生，最终获得了β-Ga2O3大尺寸单晶的稳定生长工艺，成功生长了宽度25 mm，长度达100mm的β-Ga2O3晶体，晶体外形规则完整，单晶质量较高。为下一步更大尺寸β-Ga2O3晶体的生长奠定了良好的基础。