【国内论文】ASS丨湖南工学院、华侨大学、中山大学团队：深紫外辅助表面腐蚀下单晶β‑Ga₂O₃的变形与材料去除机

日期：2026-05-11阅读：44

由湖南工学院、华侨大学、中山大学的研究团队在学术期刊Applied Surface Science发布了一篇名为Deformation and material removal mechanisms of single-crystal β-Ga₂O₃ via deep-ultraviolet-assisted surface corrosion（深紫外辅助表面腐蚀下单晶 β-Ga₂O₃ 的变形与材料去除机理）的文章。

背景

超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）凭借其大禁带宽度、高击穿电场、优异热化学稳定性以及较低的晶体生长成本等本征特性，成为下一代电子与光电子应用中极具前景的材料。这些优势使氧化镓成为高功率电子器件、射频器件与深紫外光电器件的理想候选材料，在支撑信息技术、能源系统与国防相关应用的未来发展方面潜力巨大。器件性能高度依赖衬底表面质量，因此获得超光滑、无损伤的氧化镓晶片是实现可靠器件制备与集成的前提。

主要内容

单晶 β‑Ga₂O₃ 因高硬度与本征脆性，其高效低损伤加工受到严重制约。本文提出深紫外（DUV）辐照辅助腐蚀作为表面改性策略，调控接触载荷下的变形与材料去除行为。185 nm 深紫外辐照显著强化碱性腐蚀，促进表面羟基化并引发近表面区域显著软化。纳米压痕与纳米划痕试验表明，相同法向载荷下，深紫外辅助腐蚀表面的硬度与弹性模量降低、侧向力更小且更稳定、摩擦系数下降、材料去除深度与体积增大，表明去除机制向塑性主导转变。截面透射电镜证实，划痕沟槽下方形成约 18 nm 厚连续非晶表层，可协调塑性变形并抑制亚表面裂纹；无深紫外与原始表面则非晶化程度低、脆性损伤显著。实验测量与模型计算的体积去除量定量吻合，进一步验证去除效率提升源于可控的表面软化而非脆性断裂。结果表明，深紫外辐照辅助腐蚀从根本上改变 β‑Ga₂O₃ 的变形与材料去除行为，为稳定、低载荷、低损伤超精密加工提供有效途径。

创新点

• 提出 185 nm 深紫外辅助碱性腐蚀策略，显著强化 β‑Ga₂O₃ 表面羟基化与近表面软化效应。

• 深紫外辅助腐蚀使 β‑Ga₂O₃ 材料去除由脆性断裂主导转变为稳定塑性变形主导，抑制亚表面损伤。

• 揭示深紫外调控形成约 18 nm 连续非晶表层是实现 β‑Ga₂O₃ 低损伤超精密加工的核心机制。

结论

综上，深紫外辐照辅助腐蚀并非单纯化学刻蚀，而是调控 β‑Ga₂O₃ 近表面力学响应的有效表面工程策略；通过构建可控的牺牲性软化层，提升脆塑转变阈值并拓宽加工窗口。研究结果揭示氧化镓中的光 - 化学 - 力学耦合机制，为这种重要的宽禁带氧化物材料提供高效、稳定、低损伤超精密加工的实用方案。

项目支持

本研究得到国家自然科学基金（52475451）、中山大学启动基金、湖南省大学生创新训练计划项目（S202511528256）资助。作者衷心感谢布鲁克科技有限公司在纳米压痕与纳米划痕测试方面提供的技术支持。

图1. β‑Ga₂O₃ 表面 AFM 形貌：（a）原始未处理状态；（b）无深紫外辐照腐蚀后；（c）深紫外辅助腐蚀后。

图2. β‑Ga₂O₃ 表面润湿性对比表征，显示水接触角测量结果：（a）原始表面；（b）无深紫外辅助腐蚀后；（c）深紫外辐照辅助腐蚀后。（d）测量与模型预测接触角随表面粗糙度的变化对比。

图3. 法向载荷分别为（a）1、（b）2、（c）3、（d）4、（e）5 mN 时，腐蚀与原始 β‑Ga₂O₃ 晶片的划痕深度随划痕距离的变化。（f）平均划痕深度与法向载荷的关系。

图4. 法向载荷分别为（a）1、（b）2、（c）3、（d）4、（e）5 mN 时，腐蚀与原始 β‑Ga₂O₃ 晶片的侧向划痕力随划痕距离的变化。（f）平均侧向划痕力与（g）对应平均摩擦系数随法向载荷的变化。

图5. 25 W/m² 深紫外辐照辅助腐蚀后，氧化镓划痕诱导亚表面结构的多尺度表征。（a）划痕条纹 SEM 全貌；（b）（a）中高亮区域的截面 TEM 图；（c、d）划痕下方近表面微观结构 HRTEM 图；（e、f）（c）中选区 FFT 图谱，证实划痕沟槽下方残留约 18 nm 厚非晶层；（g、h、i）高倍图像显示非晶层下方完整晶态晶格。

图6. 原始氧化镓表面对纳米划痕的亚表面响应。（a）原始样品划痕条纹 SEM 图与（b）对应截面 TEM 图；（c、d）近表面区域 HRTEM 图；（e、f）FFT 图谱：（e）中弥散斑点证实近表面存在纳米晶，（f）中斑点显示下方晶态晶格，未检测到非晶化；（g、h、i）放大图显示压头 - 样品接触界面下方高密度纳米晶、位错与层错。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.167017