【国际论文】超宽带隙半导体中的平面缺陷和结构异质性

        由美国亚利桑那州立大学的研究团队在学术期刊 Microscopy and Microanalysis 发布了一篇名为 Planar Defects and Structural Heterogeneity in Ultrawide Bandgap Semiconductors（超宽带隙半导体中的平面缺陷和结构异质性）的文章。

        超宽禁带（UWBG）半导体，如金刚石、BN 和 β-Ga₂O₃，具有卓越的性能，使其在高压和高频电力电子领域极具吸引力。尽管这些材料具有优异的物理性能，在许多情况下还具备卓越的热性能，但器件制造仍面临挑战。UWBG 材料的异质集成代表了一种克服部分困难的有力方法。例如，β-Ga₂O₃ 的 p 型掺杂和金刚石的 n 型掺杂难以实现，而集成技术可利用各自材料易于实现的掺杂配置。此外，金刚石极高的热导率有助于解决与热传导性能较差材料相关的热管理挑战。近期对多晶（PC）金刚石的研究显示，其热导率相较于其他常用半导体材料具有合理优势，作为器件集成中的热扩散层展现出良好前景。本研究对 UWBG 半导体层的微观结构特征进行了表征，重点关注平面缺陷及主要由平面缺陷构成的部分三维特征。研究样品包括用于热管理应用的生长于硅衬底上的 PC 金刚石层，以及用于高功率电子学的生长于金刚石衬底上的 β-Ga₂O₃ 层。通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和聚束电子衍射（CBED）/纳米束衍射技术，评估了平面缺陷区域的结构均匀性、晶格畸变及应变分布。

        图 1A 中的中角环形暗场（MAADF）图像显示了生长在硅上的 PC-diamond 的截面，其中部分平面界面以边缘视角呈现。图 1B 中顶表面的二次电子（SE）图像显示了多晶体颗粒（MTPs）的普遍存在，这表明了双晶介导的生长。不同类型的 MTPs，即层状和 5 倍周期性孪晶，分别如图 1C 和 1D 所示。这些 MTPs 可通过其结构差异及在多个四面体单元内和孪晶界限上的应变分布进行比较。图 2A 中的 MAADF 图像显示了生长在金刚石上的 β-Ga₂O₃ 的横截面，其中一些平面界面的边缘视图可见。β-Ga₂O₃ 层由多个域变体组成，对应于两种不同的晶体学关系。图 2B 和 2C 展示了 β-Ga₂O₃ 晶粒及部分平面界面的边缘视图，揭示了部分界面附近的晶格旋转以及随着平面边界特征变化而产生的结构变异。平面缺陷及其引起的结构异质性可能对材料的热学和电学输运特性产生显著影响。理解微观结构及邻近晶格畸变可为微观结构与性能之间的关联提供洞见，并为实现目标微观结构所需的生长工艺未来发展方向提供依据。关于不同域内结构异质性以及不同 β-Ga₂O₃ 变体间平面界面附近晶格旋转/畸变的进一步研究将在报告中详细讨论。

图1. 硅衬底上生长的 PC-diamond：A. 异质结构的截面 MAADF 图像，显示 PC-diamond 层中部分平面界面的边缘视图。B. 扫描电子显微镜（SE）图像，显示 PC-diamond 层顶部，其中普遍存在MTPs（层状：红色箭头和5重：黑色五边形）。透射电子显微镜（TEM）图像显示层状（C）和5倍对称（D）MTPs，其中孪晶面（边缘视角）用箭头标记。

图2. 钻石上的 β-Ga₂O₃：A. 异质结的截面 MAADF 图像，显示了 β-Ga₂O₃ 层中部分平面界面的边缘视图。B 和 C. 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示了不同 β-Ga₂O₃ 域变体之间的界面以及界面附近的晶格旋转。

DOI：

doi.org/10.1093/mam/ozaf048.816