山东大学陶绪堂教授研究团队---利用顶部籽晶溶液生长法成功制备出高质量氧化镓晶体
近期，由山东大学晶体材料国家重点实验室的研究团队在学术期刊 CrystEngComm 发布了一篇名为 Top-seeded solution growth and characterization of β-Ga2O3（顶部籽晶溶液生长 β-Ga2O3 的表征 ）的文章。
1. 项目支持
该项研究得到国家自然科学基金（批准号：62175129）、山东大学齐鲁青年学者、山东省泰山学者（批准号：tsqn202306014）和中国高校学科人才引进计划（111计划，编号：BP2018013）的资助。
2. 背景
β-Ga2O3（β-氧化镓）是一种超宽带隙（4.8 eV）半导体，因其高击穿电场（8 MV/cm）和优异的电子性能，被广泛应用于高功率电子器件和深紫外光电探测器。然而，目前 β-Ga2O3 单晶主要通过熔融法（如 Czochralski 法、布里奇曼法等）生长，这些方法需要在高达 2073 K 的温度下进行，容易导致晶体缺陷、贵金属损耗以及杂质污染。因此，开发低温、高质量的 β-Ga2O3 晶体生长技术成为研究热点。
3. 主要内容
该团队采用顶部籽晶溶液生长（TSSG）法，首次使用 TeO2-Li2CO3 作为助熔剂，以 1023 K（远低于 2073 K 的熔融温度）成功生长出尺寸为 7 × 13 × 4 mm3 的 β-Ga2O3 块状单晶。实验发现，该方法不仅有效降低了生长温度，还能显著减少铂金消耗和材料挥发损失。此外，该晶体的主要外形面(010)、(100)、(0-11) 和 (1-1-1)也与 Bravais-Friedel 和 Donnay-Harker 方法的理想形态学预测非常吻合。这项工作提供了一种潜在的 β-Ga2O3 晶体生长方法，在低温下有效的减少铂的损耗。
4. 实验细节
(1) 晶体生长
选择 Ga2O3 : TeO2 : Li2CO3 = 1:7:1.5 作为熔剂配比，并在铂金坩埚中均匀混合。
样品在 1173 K 下退火 50 小时，并继续加热至 1273 K 保持 100 小时，确保完全熔融。
通过添加 0.15 mole的 Li2CO3 降低熔体粘度，以优化晶体生长速率和尺寸。
在饱和点以上 10 K 处插入籽晶后缓慢冷却至 1003 K，以每天 0.2–0.5 K 的速率生长 37 天后提拉出晶体。
(2) 结构与性能表征
晶体结构符合单斜 C2/m 晶系，晶格参数 a = 12.247 Å, b = 3.044 Å, β = 103.866°。
HRXRD 结果表明，在 (010) 面的摇摆曲线半峰全宽（FWHM）为 140.4″，表明晶体质量优异。
XPS 测试 β-Ga2O3 的元素组成，确认没有杂质（如 Te、Pt、Li）污染。
元素分析表明 Ga/O 的原子比为 39.41% : 60.59%，接近理论值。
紫外-可见-红外透射光谱（UV-Vis-NIR）测得 β-Ga2O3 在 200–1200 nm 波长范围内具有高透过率，紫外截止边约为 260.1 nm，对应的光学带隙约为 4.51 eV。
红外光谱（IR）在 1.28–7.34 μm 范围内无明显吸收，适用于可见光至中红外应用。
5. 创新点
（1）低温晶体生长：
采用 TSSG 方法在 1023 K 成功生长 β-Ga2O3，比传统熔融法所需的 2073 K 大幅降低了生长温度。
（2）减少铂金损耗：
传统方法易导致贵金属污染（如 Rh-Pt 合金坩埚的铱损耗），而 TSSG 法有效降低了消耗。
（3）优化溶剂：
通过 TeO2-Li2CO3 降低熔体粘度，提高晶体生长均匀性，克服了 PbO-PbF2 和 B2O3-alkaline-MoO3 高温挥发性问题。
（4）高质量晶体结构：
该方法生长的 β-Ga2O3 具有良好的单晶质量，FWHM 仅 140.4″，可用于进一步的物理研究和器件应用。
6. 结论
该团队成功开发了一种基于 TeO2-Li2CO3 熔剂的 TSSG 法，在 1023 K 条件下生长出高质量 β-Ga2O3 单晶。这一方法不仅降低了生长温度，减少了贵金属损耗，还提高了晶体质量，展现出在高功率电子器件和光电应用中的潜力。该研究为 β-Ga2O3 晶体的低温高效生长提供了新思路，为未来半导体材料的优化和应用奠定了基础。
7. 实验图示
图 1. β-Ga2O3 晶体的粉末 X 射线衍射图样。
图 2. (a), 通过自发原生生长 β-Ga2O3 单晶照片；(b) 通过 TSSG 法使用无取向籽晶生长的 β-Ga2O3 单晶照片（粘在棒上的晶体是 GaTe2O6，通过助熔剂的挥发生长在棒上）；(c) β-Ga2O3 单晶的（010）晶面（4 × 2 × 1 mm3）；(d) 不含籽晶的 β-Ga2O3 晶体的理论形貌；(e) β-Ga2O3 晶体的主要晶体生长面。
DOI：
doi.org/10.1039/D4CE00678J
本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号