Groove-shaped defects in as-grown (001)-oriented -GaO epilayers prepared by halide vapor phase epitaxy
本研究揭示了卤化物气相外延生长的 (001) 取向 -GaO 外延层中的沟槽状缺陷源于局部表面取向和台阶供应的变化所促进的刻面生长，且相关的面缺陷是由于生长部门合并而非作为衬底位错的成核位点而形成的。
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在追求更快、更高效电子设备的探索过程中，科学家们正将注意力转向一种被称为氧化镓（beta-gallium oxide）的材料。这种晶体为下一代功率器件带来了巨大的前景，能够以超越硅等旧材料的效率处理高电压。为了制造这些器件，工程师们在较大的基底晶体之上生长出一层薄而完美的晶体层，这一过程被称为同质外延（homoepitaxy）。其目标是创造一个如此平整且无缺陷的表面，以便直接用于制造电子元件。然而，通往完美的道路往往被一种在生长过程中出现的特定缺陷所阻挡：长而窄的沟壑，它们在表面上留下了伤痕。这些沟壑不仅仅是外观上的瑕疵；它们足够深，以至于在制造任何器件之前都需要进行大量的抛光，而这一步骤会增加成本并带来损坏脆弱材料的风险。了解这些沟壑究竟是如何形成的，对于研究人员希望在没有这些缺陷的情况下生长出完美晶体至关重要。
最近，一支研究小组致力于解开使用卤素气相外延（halide vapor phase epitaxy）技术生长的晶体中，这些沟槽状缺陷之谜。他们检查了一层生长在特定取向的氧化镓基底上的两英寸晶体层。通过结合使用包括高分辨率显微镜和一种可以穿透晶体以揭示隐藏缺陷的专门 X 射线成像技术在内的强大工具组合，他们绘制了表面及其下方结构的图谱。他们的调查从一个简单的问题开始：这些沟槽是从基底晶体中微小的、预先存在的缺陷向上生长而成的，还是由于新晶体层自身形成的方式而产生的？
研究人员发现，这些沟槽是长而直的特征，可以在表面上延伸数毫米。当他们仔细观察这些沟槽的形状时，发现它们并非简单的凹陷。相反，每个沟槽都是一个复杂的、三维的深沟，具有平坦的底部和陡峭的侧壁，是由生长速度与周围表面不同的特定晶面形成的。沟槽的平坦底部具有与层其余部分不同的晶体取向，而陡峭的侧壁则是另一种取向。这表明该沟槽并非一个错误，而是一个独特的区域，在该区域内，晶体决定以不同的方向生长，从而创造了一个拒绝变平的持久的、具有特定晶面的扇区。
为了确定这些扇区的起源，研究小组将表面沟槽的图像与从下方拍摄的同一位置的 X 射线图像进行了仔细对齐。如果沟槽是由基底晶体的缺陷引起的，研究人员预期会看到完美的匹配，即基底中的缺陷直接位于每个沟槽的正下方。然而，他们发现并没有这种联系。X 射线图像显示，这些沟槽并未与基底中的任何特定缺陷对齐。这一发现排除了基底缺陷是直接原因的可能性，转而表明沟槽是由生长条件本身产生的，可能受到晶圆上表面角度微小变化的影响。
然而，关于沟槽的故事并未止步于表面。当研究人员切开晶体，观察沟槽结束点的下方结构时，他们发现了一种新型缺陷。在沟槽状、有晶面的扇区与平坦的周围晶体交界处，捕捉到了一个薄的平面缺陷。这种缺陷是晶体层的错位，是一种当两种不同的生长区域相互碰撞并试图合并时留下的内部伤痕。至关重要的是，这些内部缺陷仅在沟槽的边缘（即沟槽停止的地方）被发现，而不是在沟槽中间或平坦区域之间。这证实了这些缺陷是由于沟槽的形成和结束而导致的后果，而不是引发它的火种。
研究人员得出结论，这些沟槽的形成是由晶体表面的局部形状驱动的。在表面角度恰好的区域，生长过程从平滑的逐层模式转变为一种倾向于形成这些特定平底深沟的三维模式。一旦这种深沟开始形成，它就可以持续生长很长一段距离，因为其中的晶面生长速率使其保持稳定。在沟槽结束处发现的内部缺陷，仅仅是由于这种快速生长的深沟最终遇到周围生长较慢的平坦表面时，晶体试图修复这种不匹配的结果。通过理解罪魁祸首是局部的表面角度和晶面上的台阶供应，而非基底材料中隐藏的缺陷，科学家们现在对于生长出用于未来电子设备的更光滑、更完美晶体有了更清晰的路径。
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