探秘 β-Ga2O3同质外延膜纳米级旋转晶体：原子界面结构与电子特性解析

β-Ga2O3作为下一代功率电子材料，其二维缺陷因晶体结构复杂难以研究。研究人员通过协调扫描透射电镜和密度泛函理论计算，研究其同质外延层纳米级旋转晶体，发现相关界面特性，为理解其缺陷和电子性质提供基础。

　　在当今科技飞速发展的时代，功率电子领域正迫切寻求性能卓越的新型材料。β-Ga₂O₃凭借其超宽带隙能量（4.8 eV）和高达 8 MV/cm 的预测电击穿场强，成为了下一代功率电子材料的热门候选者。然而，β-Ga₂O₃复杂的单斜晶体结构，却给科研人员带来了不小的挑战。其内部存在的各种二维缺陷，由于结构复杂难以被清晰地认识和研究，这就像隐藏在黑暗中的谜团，严重阻碍了 β-Ga₂O₃在实际应用中的发展。因为哪怕是原子尺度的缺陷，都有可能导致材料的电学性能下降，进而影响基于 β-Ga₂O₃的功率电子器件的整体表现。为了揭开这些缺陷的神秘面纱，推动 β-Ga₂O₃在功率电子领域的广泛应用，来自国外的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在了《Applied Surface Science》上，为该领域的发展提供了重要的理论依据。

研究人员在这项研究中，主要运用了两种关键技术方法。一是利用像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM），它能够在原子尺度下清晰地观察 β-Ga₂O₃的微观结构；二是借助密度泛函理论（DFT）计算，从理论层面深入分析其晶体结构和电子特性。

研究结果

1. 缺陷位置识别：研究人员对 β-Ga₂O₃同质外延层样本进行湿法蚀刻后，在 (001) 表面出现了棒状特征，其长轴平行于单斜 β-Ga₂O₃的 [010] 方向，短轴平行于 [100] 方向。这些棒状蚀刻坑被认为是在缺陷处形成的，通过它们可以轻松识别缺陷位置。
2. 界面结构分析：运用 HAADF-STEM 技术，研究人员发现旋转晶体呈现出 (201)_rotated//(202)_matrix和 [010]_rotated//[010]_matrix的晶体取向。尽管 β-Ga₂O₃是低对称单斜结构，但 (201)//(202) 界面几乎可以完美匹配，没有任何悬空键。而且，该界面的失配度极小，仅为 0.00136，比 (0001) GaN / 蓝宝石界面小 100 倍。此外，还观察到特定 Ga 原子在界面处有亚纳米级的位移，约为 1.03 ?，且这种位移反复有规律地出现。
3. 界面能计算：通过 DFT 计算，确定了该界面的形成能为 75.3 mJ/m² ，这一数值与半导体材料的堆垛层错能相比非常小。
4. 电子特性研究：研究发现这种缺陷本身会诱导离域的深能级状态。进一步计算表明，即使在边界处进行杂质（如 Si、H 或 Al）偏析，也难以钝化这种缺陷，而且杂质偏析会改变能带结构。

研究结论与讨论

研究人员成功发现了单斜 β-Ga₂O₃同质外延中纳米级旋转晶体的形成，明确了其与基质外延层之间形成的 (201)//(202) 界面边界特性。纳米级旋转晶体在整个外延层中所占体积比例极小，最大仅为 0.28%，这也是其难以被轻易检测到的原因。此次研究成果意义重大，它不仅为单斜 β-Ga₂O₃同质外延生长和材料体系中旋转晶体的形成提供了深刻的见解，还让科研人员对 β-Ga₂O₃的原子尺度界面结构和电子特性有了更深入的理解。这些成果将为未来研究 β-Ga₂O₃基电子器件的性能影响以及相关技术的发展提供坚实的理论基础，有助于推动 β-Ga₂O₃在功率电子领域的广泛应用，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。