硅及先进半导体材料全国重点实验室杨德仁院士团队张辉教授等在Acta Materialia期刊发表论文，介绍了团队在(100)面β-Ga₂O₃卤化物气相外延（HVPE）领域取得的重要研究进展。研究系统揭示了外延层中堆垛层错及相关缺陷的形成演化机制与电学影响，并提出了有效的缺陷抑制策略，为制备高质量(100)面β-Ga₂O₃外延膜及高性能功率器件提供了理论依据。论文通讯作者为金竹研究员、吴德凡博士后、张辉教授和杨德仁院士，第一作者为叶浩函博士生。
【研究背景】 β-Ga₂O₃具备约4.8 eV的超宽禁带与8 MV/cm的高临界击穿场强，是极具潜力的功率半导体材料。HVPE技术凭借高达250 μm/h的生长速率，已成为制备β-Ga₂O₃厚膜外延层的重要方法。其中，(100)面因易于扩径和晶圆加工而具有商业应用前景，但由于氧化镓晶格中八面体单元的伪对称性，同质外延生长极易形成层错。堆垛层错不仅恶化表面形貌，还会严重损害功率器件性能。
【主要发现与创新点】
首次揭示层错SF100-B →异相畴界的转化机制
研究发现，常见的堆垛层错SF100-B在(-201)台阶面处会发生台阶边缘面依赖的向上转变，形成一种特殊的异相畴界out-of-phase boundary (OPB)。其中，该OPB两侧晶畴的偏移矢量为超晶格滑移矢量1/6[132]，这导致了独特的多边形特征叠加结构。OPB的形成直接触发了表面金字塔形丘状凸起的成核。该研究还阐明其原子尺度形成路径（连续孪生+弯曲畸变），填补了β-Ga₂O₃中OPB研究的空白（此前多见于异质相或离子注入体系）。阐明SF100-B的原子尺度起源与演化路径
基于高分辨扫描透射电镜（HRSTEM）分析，研究证实SF₁₀₀₋B源于Ga八面体在伪对称(100)面上的二次连续孪晶过程。当SF100-B与完美晶格在(-201)面相遇时，为释放界面失配能，晶格发生弯曲畸变，进而催生OPB。而在[001]偏切条件下，台阶面转变为(001)，层错则倾向于转化为更稳定的SF₀₀₁而非OPB。
揭示OPB诱发金字塔丘的机制及其致命电学影响
通过EMMI和I-V测试，首次定量证明，即便通过化学机械抛光（CMP）去除表面金字塔，其下方的OPB仍会导致肖特基势垒二极管（SBD）在-200V偏压下产生显著漏电（局部漏电流密度达20.8 μA/mm²），明确其作为"killer defect"的破坏性，为缺陷控制提供直接动机。
提出并验证两种抑制堆垛层错的有效策略
研究创新性地将缺陷SF100-B的形成与Ga吸附原子扩散长度（λGa）和台阶宽度（ω）统一关联起来。基于此，团队提出了两种抑制策略：降低VI/III比可增加吸附原子扩散长度，增大偏切角可减小台阶宽度。实验证实，当VI/III比降至10时，金字塔密度极低（3.5±3.5 mm⁻²）；而采用6°偏切衬底，即使在VI/III比高达55时，仍能实现无金字塔的表面。
【结论】 本研究系统阐明了[00-1]斜切的(100)面β-Ga₂O₃外延层中金字塔缺陷的形成演化路径：连续孪晶导致SF100-B形成，其在边缘处向上转化诱发OPB，最终导致表面金字塔形貌。通过降低VI/III比和增大偏切角，可有效抑制连续孪晶的发生，实现缺陷控制。该工作为(100)面β-Ga₂O₃外延层的缺陷工程提供了深刻见解，对推动高性能β-Ga₂O₃功率电子器件的研发具有重要意义。
论文信息：Acta Materialia 314 (2026) 122315
审核：张辉、余学功
