本文是一篇发表于semiconductor science and technology期刊的专题综述（topical review），题为“β-ga2o3 for wide-bandgap electronics and optoelectronics”，发表于2018年10月10日，由来自德国莱布尼茨晶体生长研究所（leibniz institute for crystal growth, berlin, germany）的zbigniew galazka教授撰写。

本综述的核心议题是全面介绍和研究氧化镓（β-ga2o3）这一新兴的超宽禁带半导体材料。文章指出，随着以氮化镓（gan）、碳化硅（sic）为代表的宽禁带半导体在过去十年的成功产业化，科研界的目光正转向禁带宽度超过4ev的超宽禁带半导体。β-ga2o3以其4.85 ev的超宽禁带、独特的物理化学性质以及能够从熔体中直接生长大尺寸单晶的能力，被视为下一代电力电子和深紫外光电子器件最具潜力的材料之一，是对其他超宽禁带材料的有力补充。本文旨在系统梳理β-ga2o3从材料制备、基本性质到器件应用的全链条研究进展，为研究者提供一份全面的技术性指南。

文章的核心观点主要包括以下几个方面：

第一，β-ga2o3的晶体结构与电子能带结构是理解其性质的基础。 文章详细阐述了β相氧化镓的单斜晶系结构（空间群c2/m），其晶胞中包含四面体配位和八面体配位的镓原子以及不同配位的氧原子，存在(100)和(001)两个易解理面。电子能带结构方面，理论计算与实验（如角分辨光电子能谱，arpes）研究表明，其价带顶主要由o 2p态构成，非常平坦，导致空穴有效质量大、迁移率极低，使得实现p型导电极为困难。导带底由ga-s和o-p杂化态组成，色散较强，电子有效质量小，迁移率高。直接带隙约为4.9 ev，间接带隙约为4.85 ev，非常接近，因此常被视为直接带隙半导体。本征点缺陷（如ga空位vga， 氧空位vo）在β-ga2o3中形成的是深能级，不能直接贡献导电性。然而，氢（h）和si、sn、ge等杂质能形成浅施主能级，是实现可控n型掺杂的关键。而mg、be则表现为补偿性受主。这些特性决定了β-ga2o3本质上是一种n型导电材料。

第二，高质量大尺寸β-ga2o3单晶的制备是实现其应用的前提，也是当前研究的重点和难点。 文章按生长原理系统地综述了各种方法： 1. 气相法和助溶剂法：在早期研究中，通过化学气相传输（chemical vapour transport, cvt）或助溶剂法（如pbo-b2o3体系）可以获得小尺寸单晶，用于基础物性研究，但无法满足产业化对晶体尺寸和产量的需求。 2. 熔体生长法：这是目前获得大尺寸、高质量晶体的主流技术。文章重点比较了多种熔体生长技术： * 导模法（edge-defined film-fed growth, efg）：利用铱（ir）模具从熔体中提拉生长板状晶体，能够生长出尺寸超过100毫米的晶体，并成功加工出4英寸（-201）晶圆。该方法可进行sn、si掺杂以提高电导率。但晶体中可能存在纳米管、位错和孪晶等缺陷。 * 光学浮区法（optical floating zone, ofz）：无需坩埚，避免了金属污染，常用于掺杂研究（如sn, si, cr, mg等）。但生长的晶体直径较小（通常5-8毫米），限制了其规模化应用。 * 垂直布里奇曼/垂直梯度凝固法（vertical bridgman / vertical gradient freeze, vb/vgf）：使用铂-铑（pt-rh）合金坩埚，可在高氧气氛下生长，避免了铱的氧化问题。可获得直径25毫米的晶体，但存在来自坩埚的rh和pt杂质污染。 * 提拉法（czochralski, cz）：文章作者所在团队的主要研究方向。生长β-ga2o3面临两大核心挑战：一是高温下ga2o3会分解产生挥发性物质（如ga2o）和金属ga液滴；二是生长所需的高氧分压与铱坩埚易被氧化腐蚀相矛盾。作者团队创新性地提出了一种“动态气氛控制”方案：在低温阶段（<1200°c）使用低氧保护铱坩埚，在高温熔体生长阶段通入高氧（甚至纯氧）以抑制分解，此时铱以气态iro3形式挥发而非形成破坏性的固相iro2。这一方案成功解决了矛盾，实现了2英寸高质量、低位错密度β-ga2o3单晶的生长，并进行了mg、sn、si、cr等多种元素的掺杂研究。

第三，表面的制备与处理是进行外延生长和器件加工的关键步骤。 文章分析了不同晶面（如(100)、(010)）的表面原子终止和电子结构，指出(100)面存在向上的能带弯曲（约0.5 ev），导致表面形成电子耗尽层，这可能影响欧姆接触的形成。通过高温（如1000°c以上）氧化退火可以消除此影响。在表面处理方面，湿法腐蚀中，hf和热hno3是有效的腐蚀剂，且不同晶面的腐蚀速率不同。干法刻蚀（如反应离子刻蚀rie、电感耦合等离子体icp）中，bcl3基气体表现出较高的刻蚀速率。此外，文章强调在氢气（h2）氛围中退火会加剧表面分解形成金属ga液滴，而在氮气或氧气中则相对稳定，这对后续工艺中的热处理条件选择具有重要指导意义。

第四，高质量外延层的生长是制造高性能器件的核心环节。 文章详细回顾了金属有机化学气相沉积（metal organic chemical vapour deposition, mocvd/movpe）技术在β-ga2o3外延生长中的应用。 1. 异质外延：主要在蓝宝石（al2o3）、mgo等衬底上进行。尽管进行了大量尝试，但由于晶格失配大，异质外延层通常为多晶或具有高密度缺陷，结晶质量和电学性能（如电子迁移率）较差，限制了其在高端器件中的应用。 2. 同质外延：在β-ga2o3单晶衬底上进行。这是获得高质量外延层的主要途径。文章重点介绍了在(100)晶面同质外延中遇到的关键问题及解决方案： * 问题：使用三甲基镓（trimethylgallium, tmga）和o2作为源时，会因碳污染和表面反应动力学问题导致层状生长模式，形成高密度的堆垛层错和孪晶界，严重影响电学性能（即使掺杂也呈高阻态）。 * 突破：作者团队发现，使用三乙基镓（triethylgallium, tega）和o2体系，并结合sn掺杂，可以获得光滑、单晶的导电外延层。更重要的突破在于，他们揭示了缺陷形成的机理：由于ga原子在(100)面扩散长度短，生长模式为二维岛状生长，这些岛的“双定位”合并导致了非共格孪晶界的产生。 * 解决方案：为实现理想的台阶流生长模式以消除缺陷，他们提出并验证了通过引入衬底偏晶角（miscut angle）来减小台阶宽度，使其小于ga原子的扩散长度。实验证明，当(100)衬底沿[001]方向的偏晶角增大到约6°时，成功将平面缺陷密度从10^17 cm^{-3}降至几乎为零，从而显著提高了外延层的结构完整性和电输运性能。相比之下，在(010)晶面上的同质外延则天然避免了双定位问题，更容易获得高质量、无扩展缺陷的外延层。

第五，文章还概述了β-ga2o3在电子和光电子器件中的应用前景。 基于其超宽禁带、高击穿电场、可调控n型导电等特性，β-ga2o3在肖特基势垒二极管（schottky barrier diodes, sbd）、场效应晶体管（field-effect transistors, fet）等功率电子器件，以及日盲/可见盲光电探测器（solar- and visible-blind photodetectors）、气体传感器、核辐射探测器等领域展现出巨大应用潜力。虽然器件细节不是本综述的核心，但文中指出，材料的成功制备（高质量衬底和外延层）和对其性质的深入理解，构成了器件制造并实现预期功能的坚实基础。

本综述的意义与价值在于： 1. 全面性与系统性：文章并非聚焦于某一特定方面，而是从材料的基本性质（多型性、结构、能带）、制备技术（体块晶体、表面、外延层）到内在属性（电学、光学、热学、力学）进行了全景式梳理，为读者构建了关于β-ga2o3研究的完整知识框架。 2. 技术导向性：文章明确强调其重点在于展示“取得了什么成果，实现了什么性能”，而非深入探讨背后的物理机制。这使得它成为材料科学家和器件工程师极佳的技术参考手册，清晰地指出了材料制备中的关键挑战（如分解、坩埚腐蚀、缺陷控制）和有效的解决方案（如动态气氛控制、偏晶衬底外延）。 3. 时效性与前瞻性：发表于2018年，正值β-ga2o3研究热潮兴起之时，文章及时总结了前期的重要进展，特别是熔体生长和外延生长方面的关键技术突破，为后续的规模化研究和器件开发指明了方向。文中强调的“全链条研究”理念——将材料工程、计量表征和理论物理联系起来——对于推动一种新兴半导体材料从实验室走向产业化至关重要。

zbigniew galazka教授的这篇综述是β-ga2o3研究领域的一份里程碑式文献。它不仅详细记录了该材料在2018年之前所取得的关键研究进展，更通过深入分析材料制备中的核心科学与工程问题，为后续的研究者和产业界人士提供了宝贵的见解和技术路线图，极大地促进了超宽禁带半导体β-ga2o3的持续发展与实际应用。