近期，由山東大學晶體材料國家重點實驗室的研究團隊在學術期刊 CrystEngComm 發布了一篇名為 Top-seeded solution growth and characterization of β-Ga₂O₃（頂部籽晶溶液生長 β-Ga₂O₃ 的表征 ）的文章。

1. 項目支持

該項研究得到國家自然科學基金（批準號：62175129）、山東大學齊魯青年學者、山東省泰山學者（批準號：tsqn202306014）和中國高校學科人才引進計劃（111計劃，編號：BP2018013）的資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃（β-氧化鎵）是一種超寬帶隙（4.8 eV）半導體，因其高擊穿電場（8 MV/cm）和優異的電子性能，被廣泛應用于高功率電子器件和深紫外光電探測器。然而，目前 β-Ga₂O₃ 單晶主要通過熔融法（如 Czochralski 法、布里奇曼法等）生長，這些方法需要在高達 2073 K 的溫度下進行，容易導致晶體缺陷、貴金屬損耗以及雜質污染。因此，開發低溫、高質量的 β-Ga₂O₃ 晶體生長技術成為研究熱點。

3. 主要內容

該團隊采用頂部籽晶溶液生長（TSSG）法，首次使用 TeO₂-Li₂CO₃ 作為助熔劑，以 1023 K（遠低于 2073 K 的熔融溫度）成功生長出尺寸為 7 × 13 × 4 mm³ 的 β-Ga₂O₃ 塊狀單晶。實驗發現，該方法不僅有效降低了生長溫度，還能顯著減少鉑金消耗和材料揮發損失。此外，該晶體的主要外形面(010)、(100)、(0-11) 和 (1-1-1)也與 Bravais-Friedel 和 Donnay-Harker 方法的理想形態學預測非常吻合。這項工作提供了一種潛在的 β-Ga₂O₃ 晶體生長方法，在低溫下有效的減少鉑的損耗。

4. 實驗細節

(1) 晶體生長

選擇 Ga₂O₃ : TeO₂ : Li₂CO₃ = 1:7:1.5 作為熔劑配比，并在鉑金坩堝中均勻混合。

樣品在 1173 K 下退火 50 小時，并繼續加熱至 1273 K 保持 100 小時，確保完全熔融。

通過添加 0.15 mole的 Li₂CO₃ 降低熔體粘度，以優化晶體生長速率和尺寸。

在飽和點以上 10 K 處插入籽晶后緩慢冷卻至 1003 K，以每天 0.2–0.5 K 的速率生長 37 天后提拉出晶體。

(2) 結構與性能表征

晶體結構符合單斜 C2/m 晶系，晶格參數 a = 12.247 Å, b = 3.044 Å, β = 103.866°。

HRXRD 結果表明，在 (010) 面的搖擺曲線半峰全寬（FWHM）為 140.4″，表明晶體質量優異。

XPS 測試 β-Ga₂O₃ 的元素組成，確認沒有雜質（如 Te、Pt、Li）污染。

元素分析表明 Ga/O 的原子比為 39.41% : 60.59%，接近理論值。

紫外-可見-紅外透射光譜（UV-Vis-NIR）測得 β-Ga₂O₃ 在 200–1200 nm 波長范圍內具有高透過率，紫外截止邊約為 260.1 nm，對應的光學帶隙約為 4.51 eV。

紅外光譜（IR）在 1.28–7.34 μm 范圍內無明顯吸收，適用于可見光至中紅外應用。

5. 創新點

（1）低溫晶體生長：

采用 TSSG 方法在 1023 K 成功生長 β-Ga₂O₃，比傳統熔融法所需的 2073 K 大幅降低了生長溫度。

（2）減少鉑金損耗：

傳統方法易導致貴金屬污染（如 Rh-Pt 合金坩堝的銥損耗），而 TSSG 法有效降低了消耗。

（3）優化溶劑：

通過 TeO₂-Li₂CO₃ 降低熔體粘度，提高晶體生長均勻性，克服了 PbO-PbF₂ 和 B₂O₃-alkaline-MoO₃ 高溫揮發性問題。

（4）高質量晶體結構：

該方法生長的 β-Ga₂O₃ 具有良好的單晶質量，FWHM 僅 140.4″，可用于進一步的物理研究和器件應用。

6. 結論

該團隊成功開發了一種基于 TeO₂-Li₂CO₃ 熔劑的 TSSG 法，在 1023 K 條件下生長出高質量 β-Ga₂O₃ 單晶。這一方法不僅降低了生長溫度，減少了貴金屬損耗，還提高了晶體質量，展現出在高功率電子器件和光電應用中的潛力。該研究為 β-Ga₂O₃ 晶體的低溫高效生長提供了新思路，為未來半導體材料的優化和應用奠定了基礎。

7. 實驗圖示

圖 1. β-Ga₂O₃ 晶體的粉末 X 射線衍射圖樣。

圖 2. (a), 通過自發原生生長 β-Ga₂O₃ 單晶照片；(b) 通過 TSSG 法使用無取向籽晶生長的 β-Ga₂O₃ 單晶照片（粘在棒上的晶體是 GaTe₂O₆，通過助熔劑的揮發生長在棒上）；(c) β-Ga₂O₃ 單晶的（010）晶面（4 × 2 × 1 mm³）；(d) 不含籽晶的 β-Ga₂O₃ 晶體的理論形貌；(e) β-Ga₂O₃ 晶體的主要晶體生長面。

DOI：

doi.org/10.1039/D4CE00678J

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號