由山東大學的研究團隊在學術期刊 The Journal of Physical Chemistry Letters 發(fā)布了一篇名為 Edge-Dependent Step-Flow Growth Mechanism in β-Ga₂O₃ (100) Facet at the Atomic Level（原子級 β-Ga₂O₃ (100) 面的邊緣依賴性臺階流生長機制）的文章。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學基金（5193000206、U24A20312、62374079 和 62304097）、國家重點研發(fā)計劃（2024YFA1208802和2023YFB4606900）和廣東省基礎研究與應用基礎研究基金（2023A1515012048和2024A1515030224）的資助、 廣東省基礎研究和應用基礎研究基金（資助 2023A1515012048和2024A1515030224）、深圳市基礎研究計劃（JCYJ20230807093609019、JCYJ20220530114615035、JCYJ20240807170626004和2023112115707001）。計算資源由南方科技大學計算科學與工程中心提供。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）作為超寬禁帶半導體，有著禁帶寬度 ≈ 4.9 eV，擊穿場強 ≈ 8 MV/cm的優(yōu)異物理特性，在電力電子、日盲紫外光電子等領域備受關注。高質量的同質外延 β-Ga₂O₃ 薄膜對于高性能器件的制造至關重要，它可以有效減少由晶格失配引起的缺陷。(100) 晶面是 β-Ga₂O₃ 的優(yōu)先解理面，具有最低的表面能，易于制備，是器件應用的理想取向之一。然而，在 (100) 面上同質外延生長高質量薄膜面臨的主要挑戰(zhàn)是孿晶界的形成，這與 Ga 亞晶格的雙重占位有關。實驗研究表明，通過在 (100) 襯底上引入朝向 [00-1] 方向的偏切角（miscut），可以實現(xiàn)穩(wěn)定的臺階流（Step-Flow）生長模式，從而獲得高質量的外延薄膜。臺階流生長模式是指沉積的原子在遷移到相鄰原子層的臺階邊緣并入晶格，而不是在平臺上成核，這種模式有利于實現(xiàn)平整的、逐層生長的薄膜，避免丘狀（hillock）缺陷的形成。理解臺階流生長的原子尺度機制，特別是原子在表面的遷移行為以及在臺階邊緣的動力學，對于精確控制薄膜形貌和質量至關重要。

3. 主要內容

高質量 β-Ga₂O₃ 薄膜的同向外延階躍流生長對于推動基于 Ga₂O₃ 的高性能器件的發(fā)展至關重要。在這項工作中，通過機器學習分子動力學模擬和密度泛函理論計算，探索了 β-Ga₂O₃（100）面的階躍流生長機制。研究結果表明，具有高遷移率的 Ga adatoms 和 Ga-O adatom 對是導致 (100) 面高效表面遷移的主要原子種類。β-Ga₂O₃ 的非對稱單斜結構在[00-1]階梯邊緣為鎵原子誘導了一個明顯的兩階段艾氏-施沃貝爾勢壘，從而抑制了雙階梯和丘狀凸起的形成。此外，向 [00-1] 方向的誤切不會誘導穩(wěn)定孿晶邊界的成核，而向 [001] 方向的誤切則會導致孿晶邊界的自發(fā)形成。這項研究不僅為高質量的 β-Ga₂O₃ 同源外延，而且為其他類似體系的階梯流生長機制提供了有意義的見解。

4. 圖文示例