導(dǎo)模法制備柱狀β-Ga?O?單晶的生長(zhǎng)機(jī)制、缺陷分析及性能研究一、引言1.1研究背景與意義在半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程中，從第一代的硅（Si）、鍺（Ge），到第二代的砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP），再到第三代的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN），每一次材料的革新都極大地推動(dòng)了電子技術(shù)的進(jìn)步。如今，超寬禁帶半導(dǎo)體材料β-Ga?O?正逐漸嶄露頭角，成為研究的焦點(diǎn)，有望引領(lǐng)半導(dǎo)體領(lǐng)域進(jìn)入新的發(fā)展階段。β-Ga?O?作為一種超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度約4.8-4.9eV、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)8MV/cm、紫外截止邊約260nm以及可采用熔體法低成本制備等顯著優(yōu)勢(shì)，在功率器件、紫外探測(cè)器、高能射線探測(cè)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在功率器件方面，其超高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)和巴利加優(yōu)值，使得基于β-Ga?O?的功率器件具有耐壓高、導(dǎo)通損耗低、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，目前氧化鎵二極管及場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件耐壓均可達(dá)幾千伏，器件擊穿場(chǎng)強(qiáng)已超過SiC和GaN的理論極限。在紫外探測(cè)領(lǐng)域，由于其禁帶寬度大，吸收截止邊位于260nm處，紫外透過率可達(dá)80%以上，并且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可滿足“日盲”光電器件的需求，避免了目前常用氮化物需要合金化等復(fù)雜問題。同時(shí)，β-Ga?O?還可作為GaN、ZnO等半導(dǎo)體的襯底材料使用。在眾多β-Ga?O?晶體生長(zhǎng)方法中，導(dǎo)模法（Edge-definedFilm-fedGrowth，EFG）具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)模法是一種成熟的單晶制備技術(shù)，尤其廣泛應(yīng)用于高溫晶體的生長(zhǎng)。與其他生長(zhǎng)方法相比，導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶時(shí)，能夠通過模具的設(shè)計(jì)精確控制晶體的形狀和尺寸，生長(zhǎng)過程中熔體會(huì)通過毛細(xì)作用上升到模具表面，再通過籽晶誘導(dǎo)作用不斷提拉長(zhǎng)大，這使得生長(zhǎng)過程相對(duì)穩(wěn)定，有利于提高晶體的質(zhì)量和生長(zhǎng)效率。此外，導(dǎo)模法既可生長(zhǎng)高阻晶體也可生長(zhǎng)導(dǎo)電晶體，是目前產(chǎn)品化襯底的主要制備方法。日本NovelCrystalTechnology已通過導(dǎo)模法實(shí)現(xiàn)了2-6英寸片狀晶體的生長(zhǎng)，為β-Ga?O?晶體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。盡管導(dǎo)模法在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)方面取得了一定的成果，但仍存在許多亟待解決的問題。在晶體生長(zhǎng)過程中，晶體的缺陷控制仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，缺陷的存在會(huì)影響晶體的電學(xué)和光學(xué)性能，進(jìn)而影響器件的性能和可靠性。對(duì)于導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的生長(zhǎng)機(jī)理和工藝優(yōu)化的研究還不夠深入，如何進(jìn)一步提高晶體的質(zhì)量和生長(zhǎng)效率，降低生產(chǎn)成本，仍需要深入研究。因此，深入研究導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的生長(zhǎng)、缺陷及性能，對(duì)于推動(dòng)β-Ga?O?晶體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的理論和實(shí)際意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)研究領(lǐng)域，導(dǎo)模法憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)之一。國(guó)外在導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶方面起步較早，取得了一系列重要成果。日本NovelCrystalTechnology公司是該領(lǐng)域的佼佼者，目前已通過導(dǎo)模法實(shí)現(xiàn)了2-6英寸片狀晶體的生長(zhǎng)，其技術(shù)成熟度高，產(chǎn)品在市場(chǎng)上占據(jù)重要地位。他們的研究重點(diǎn)在于優(yōu)化導(dǎo)模法的工藝參數(shù)，以提高晶體的質(zhì)量和尺寸均勻性，并且在晶體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。德國(guó)萊布尼茲晶體生長(zhǎng)研究所和美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等也在積極開展相關(guān)研究。雖然德國(guó)萊布尼茲晶體生長(zhǎng)研究所主要致力于提拉法生長(zhǎng)β-Ga?O?晶體的研究，但在導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶的基礎(chǔ)理論研究方面也有一定的貢獻(xiàn)，如對(duì)晶體生長(zhǎng)界面的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究，為導(dǎo)模法生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化提供了理論支持。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室在晶體生長(zhǎng)技術(shù)和應(yīng)用研究方面投入了大量資源，其研究成果在軍事和航空航天領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)對(duì)于導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶的研究也在逐步深入。山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在陶緒堂教授團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，在該領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)使用導(dǎo)模法成功制備了外形完整的4英寸(001)主面氧化鎵(β-Ga?O?)單晶，并對(duì)其性能進(jìn)行了全面分析。勞厄測(cè)試顯示衍射斑點(diǎn)清晰、對(duì)稱，表明晶體具有良好的單晶性，無孿晶；X射線衍射搖擺曲線表明晶體(400)面半峰全寬僅為57.57″，結(jié)晶質(zhì)量較高；濕法化學(xué)腐蝕測(cè)試結(jié)果表明晶體位錯(cuò)密度為1.06×10?cm?2；C-V測(cè)試確認(rèn)β-Ga?O?晶體中載流子濃度為7.77×101?cm?3。該團(tuán)隊(duì)通過長(zhǎng)期潛心攻關(guān)，先后突破了1-4英寸氧化鎵單晶生長(zhǎng)、缺陷、摻雜、加工等關(guān)鍵核心技術(shù)，為打破國(guó)外技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)奠定了基礎(chǔ)。盡管國(guó)內(nèi)外在導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶方面取得了一定成果，但仍存在諸多不足和待解決問題。在晶體生長(zhǎng)機(jī)理方面，雖然對(duì)導(dǎo)模法生長(zhǎng)過程中的熔體流動(dòng)、熱量傳輸?shù)痊F(xiàn)象有了一定的認(rèn)識(shí)，但仍缺乏系統(tǒng)、深入的理論研究，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制晶體生長(zhǎng)過程中的各種缺陷形成機(jī)制。在晶體質(zhì)量方面，目前生長(zhǎng)的β-Ga?O?單晶仍存在位錯(cuò)、孿晶等缺陷，這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響晶體的電學(xué)和光學(xué)性能，進(jìn)而限制其在高性能器件中的應(yīng)用。雖然導(dǎo)模法可以生長(zhǎng)出大尺寸的片狀晶體，但晶體的尺寸均勻性和一致性仍有待提高，以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。在生長(zhǎng)設(shè)備和工藝方面，導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶通常需要使用高溫、高成本的銥金模具和坩堝，生長(zhǎng)過程中銥的損耗較大，增加了生產(chǎn)成本。而且，目前的生長(zhǎng)工藝參數(shù)優(yōu)化仍主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)法，缺乏科學(xué)、精準(zhǔn)的工藝優(yōu)化策略，導(dǎo)致生長(zhǎng)效率較低。因此，深入研究導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶的生長(zhǎng)機(jī)理，優(yōu)化生長(zhǎng)工藝，降低生產(chǎn)成本，提高晶體質(zhì)量和生長(zhǎng)效率，是當(dāng)前該領(lǐng)域亟待解決的重要問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶，深入探究其生長(zhǎng)過程、晶體缺陷以及性能表現(xiàn)，旨在為β-Ga?O?晶體的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：研究?jī)?nèi)容：首先開展導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的工藝研究。通過系統(tǒng)地改變籽晶取向、提拉速度、溫度梯度等關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù)，研究其對(duì)晶體生長(zhǎng)速率、晶體完整性和晶體質(zhì)量的影響。例如，選擇不同取向的籽晶，觀察晶體在生長(zhǎng)過程中的結(jié)晶習(xí)性和缺陷形成情況，從而確定最有利于晶體生長(zhǎng)的籽晶取向；通過調(diào)整提拉速度，研究其與晶體生長(zhǎng)速率和質(zhì)量之間的關(guān)系，找到最佳的提拉速度范圍。此外，還將研究氧化鎵熔體在模具中的流動(dòng)特性以及與模具材料的相互作用，以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)工藝，提高晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。晶體缺陷分析：運(yùn)用多種先進(jìn)的分析技術(shù)，如高分辨X射線衍射（HRXRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、位錯(cuò)腐蝕等，對(duì)生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶中的缺陷進(jìn)行全面分析。利用HRXRD測(cè)量晶體的結(jié)晶質(zhì)量和晶格完整性，通過SEM和TEM觀察晶體中的位錯(cuò)、孿晶、層錯(cuò)等微觀缺陷的形態(tài)、分布和密度。采用位錯(cuò)腐蝕技術(shù)，通過觀察腐蝕坑的形狀和密度，來評(píng)估晶體中的位錯(cuò)密度和分布情況。研究不同生長(zhǎng)條件下晶體缺陷的形成機(jī)制和演化規(guī)律，為減少晶體缺陷提供理論依據(jù)。性能測(cè)試與分析：對(duì)生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶進(jìn)行全面的性能測(cè)試，包括電學(xué)性能、光學(xué)性能和熱學(xué)性能等。使用Hall效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量晶體的載流子濃度、遷移率和電阻率等電學(xué)參數(shù)，分析晶體的導(dǎo)電類型和電學(xué)均勻性；通過紫外-可見-近紅外光譜儀測(cè)量晶體的光學(xué)透過率和吸收系數(shù)，確定晶體的光學(xué)帶隙和光學(xué)質(zhì)量；采用熱導(dǎo)率測(cè)試儀測(cè)量晶體的熱導(dǎo)率，研究晶體的熱傳導(dǎo)特性。此外，還將研究晶體性能與晶體結(jié)構(gòu)、缺陷之間的關(guān)系，為晶體在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供性能數(shù)據(jù)支持。在研究方法上，本研究采用實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方式。在實(shí)驗(yàn)方面，搭建導(dǎo)模法晶體生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)裝置，包括中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)、銥金發(fā)熱體、銥金模具、氧化鋯保溫材料等，確保晶體生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性和可控性。嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)生長(zhǎng)過程中的溫度、提拉速度、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量和記錄。對(duì)生長(zhǎng)的晶體進(jìn)行全面的性能測(cè)試和表征，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在理論分析方面，運(yùn)用晶體生長(zhǎng)理論和熱力學(xué)原理，對(duì)導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的過程進(jìn)行模擬和分析。建立晶體生長(zhǎng)模型，研究晶體生長(zhǎng)過程中的傳熱、傳質(zhì)和動(dòng)量傳輸?shù)任锢憩F(xiàn)象，預(yù)測(cè)晶體生長(zhǎng)界面的形狀和穩(wěn)定性，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析結(jié)果的對(duì)比和驗(yàn)證，深入理解導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的生長(zhǎng)機(jī)制和性能規(guī)律。二、導(dǎo)模法生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶的原理與實(shí)驗(yàn)2.1導(dǎo)模法生長(zhǎng)原理導(dǎo)模法（Edge-definedFilm-fedGrowth，EFG），又稱邊緣限定薄膜供料生長(zhǎng)技術(shù)，是一種從熔體中生長(zhǎng)單晶的重要方法。其生長(zhǎng)原理基于毛細(xì)作用和籽晶誘導(dǎo)結(jié)晶機(jī)制。從毛細(xì)作用的角度來看，任何熔體的表面都存在表面自由能，單位面積的自由能即為表面張力，其方向平行于表面且各方向大小相等。當(dāng)熔體與固體接觸時(shí)，接觸面稱為界面，界面張力與兩相原子結(jié)合力成反比，原子結(jié)合力越大，界面張力越小。在導(dǎo)模法中，將內(nèi)部留有毛細(xì)管狹縫的耐熔金屬模具浸入單晶爐的熔體中，熔體在表面張力的作用下，會(huì)通過毛細(xì)作用被吸引到模具上表面。這一過程的關(guān)鍵在于毛細(xì)管材料的選擇，熔體必須與毛細(xì)管材料浸潤(rùn)，且毛細(xì)管材料浸入熔體中不會(huì)因熔解造成污染。例如，在藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)中，鉬被用作毛細(xì)管材料，它能滿足上述條件，使藍(lán)寶石晶體中的鉬含量?jī)H為5×10。熔體在模具頂部形成一層薄膜并向四周擴(kuò)散，為晶體生長(zhǎng)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。籽晶誘導(dǎo)結(jié)晶在導(dǎo)模法生長(zhǎng)中起著核心作用。當(dāng)熔體在模具頂部形成薄膜后，放下籽晶使其與熔體薄膜接觸。此時(shí)，控制模具頂部的溫度梯度至關(guān)重要，合適的溫度梯度能使籽晶端面結(jié)晶出與籽晶相同結(jié)構(gòu)的單晶。隨著提拉機(jī)構(gòu)不斷向上提升籽晶，籽晶經(jīng)過放肩和等徑生長(zhǎng)完成整個(gè)單晶的制備。在這個(gè)過程中，籽晶就像一個(gè)“種子”，引導(dǎo)著熔體中的原子或分子按照一定的規(guī)則排列，逐漸形成晶體結(jié)構(gòu)。例如，在生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶時(shí)，選擇合適晶向的籽晶，能夠引導(dǎo)β-Ga?O?晶體按照特定的晶向生長(zhǎng)，從而獲得具有特定晶體結(jié)構(gòu)和性能的單晶。與其他晶體生長(zhǎng)方法相比，導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶具有顯著優(yōu)勢(shì)。在晶體形狀控制方面，導(dǎo)模法能夠直接從熔體中生長(zhǎng)出所需形狀的晶體毛坯，晶體的截面形狀和尺寸由模具頂部邊緣的形狀和尺寸決定。這使得生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶時(shí)，可以通過設(shè)計(jì)特定形狀的模具，精確控制晶體的直徑、長(zhǎng)度等尺寸參數(shù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)晶體形狀和尺寸的要求。而提拉法通常只能生長(zhǎng)出圓柱狀的晶體，在形狀控制上具有較大的局限性。在生長(zhǎng)效率方面，導(dǎo)模法生長(zhǎng)界面遠(yuǎn)離熔體表面，連續(xù)加料引起的熱擾動(dòng)以及加熱功率變化引起的熱擾動(dòng)傳遞到毛細(xì)管頂端時(shí)已經(jīng)衰減得很小，不會(huì)對(duì)生長(zhǎng)的晶體造成影響，這有利于維持穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)較高的生長(zhǎng)速率。而且導(dǎo)模法生長(zhǎng)的晶體分凝系數(shù)是一個(gè)不變值，雜質(zhì)分布主要由擴(kuò)散決定，有利于生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體。導(dǎo)模法還具有材料利用率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)化，在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。2.2實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)旨在深入研究導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶，實(shí)驗(yàn)材料的選擇和設(shè)備的搭建對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。在實(shí)驗(yàn)材料方面，選用純度高達(dá)99.999%的氧化鎵粉末作為生長(zhǎng)β-Ga?O?單晶的原料。高純度的氧化鎵粉末能有效減少雜質(zhì)對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響，保證晶體的質(zhì)量和性能。雜質(zhì)的存在可能會(huì)導(dǎo)致晶體中出現(xiàn)缺陷，影響晶體的電學(xué)和光學(xué)性能，進(jìn)而影響其在器件中的應(yīng)用效果。使用高純度的氧化鎵粉末能最大程度地避免這些問題，為生長(zhǎng)高質(zhì)量的β-Ga?O?單晶提供基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中還使用了籽晶，籽晶的取向?qū)w的生長(zhǎng)有著關(guān)鍵作用。選用<010>方向的籽晶，其晶體最大主面為(001)面。這種取向的籽晶能夠引導(dǎo)β-Ga?O?晶體按照特定的晶向生長(zhǎng)，有利于獲得具有良好晶體結(jié)構(gòu)和性能的單晶。不同取向的籽晶會(huì)導(dǎo)致晶體在生長(zhǎng)過程中呈現(xiàn)出不同的結(jié)晶習(xí)性和缺陷形成情況，<010>方向的籽晶在本實(shí)驗(yàn)中被證明是有利于柱狀β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)的選擇。模具是導(dǎo)模法生長(zhǎng)晶體的關(guān)鍵部件，本實(shí)驗(yàn)采用銥金模具。銥金具有熔點(diǎn)高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)過程中高溫和化學(xué)環(huán)境的要求。在高溫下，銥金模具不會(huì)與氧化鎵熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不會(huì)因高溫而變形或熔化，從而保證了模具的形狀和尺寸穩(wěn)定性，有利于精確控制晶體的形狀和尺寸。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，采用中頻感應(yīng)加熱裝置。該裝置通過電磁感應(yīng)原理，使銥金發(fā)熱體產(chǎn)生熱量，從而加熱氧化鎵粉末使其熔化。中頻感應(yīng)加熱具有加熱速度快、溫度控制精確、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速將氧化鎵粉末加熱至所需溫度，并精確控制熔體的溫度，為晶體生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的熱環(huán)境。精確的溫度控制對(duì)于晶體生長(zhǎng)至關(guān)重要，溫度的波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生缺陷。中頻感應(yīng)加熱裝置能夠有效避免這種情況，確保晶體生長(zhǎng)過程的穩(wěn)定性。為了減少熱量散失，在銥金坩堝周圍放置氧化鋯作為保溫材料。氧化鋯具有低熱導(dǎo)率和高熔點(diǎn)的特性，能夠有效地阻擋熱量的傳遞，保持爐內(nèi)的高溫環(huán)境，提高能源利用效率，降低能耗。提拉機(jī)構(gòu)也是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的重要組成部分，它用于控制籽晶的提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度。在晶體生長(zhǎng)過程中，精確控制提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)晶體的質(zhì)量和生長(zhǎng)速率有著重要影響。合適的提拉速度能夠使晶體在生長(zhǎng)過程中保持穩(wěn)定的生長(zhǎng)界面，避免出現(xiàn)過冷或過熱現(xiàn)象，從而減少晶體缺陷的產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)速度的控制則可以使晶體在生長(zhǎng)過程中均勻受熱，提高晶體的均勻性。通過調(diào)整提拉機(jī)構(gòu)的參數(shù)，可以優(yōu)化晶體生長(zhǎng)條件，獲得高質(zhì)量的柱狀β-Ga?O?單晶。2.3晶體生長(zhǎng)過程導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的過程是一個(gè)精細(xì)且復(fù)雜的工藝，涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟和嚴(yán)格的工藝參數(shù)控制。首先是裝料環(huán)節(jié)，將純度高達(dá)99.999%的氧化鎵粉末小心地裝入銥金坩堝中，確保粉末均勻分布，為后續(xù)的熔化和晶體生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的原料基礎(chǔ)。氧化鎵粉末的高純度至關(guān)重要，雜質(zhì)的存在可能會(huì)在晶體生長(zhǎng)過程中引入缺陷，影響晶體的質(zhì)量和性能。裝料完成后，將內(nèi)部留有毛細(xì)管狹縫的銥金模具準(zhǔn)確地放置在坩堝中心位置，模具的精準(zhǔn)定位對(duì)于熔體的毛細(xì)上升和晶體的形狀控制起著關(guān)鍵作用。隨后，對(duì)生長(zhǎng)爐進(jìn)行抽真空操作，將爐內(nèi)的空氣抽出，以減少雜質(zhì)和氣體對(duì)晶體生長(zhǎng)的影響。一般將爐內(nèi)真空度抽至10?3Pa以下，確保生長(zhǎng)環(huán)境的純凈。在抽真空后，充入高純氬氣，氬氣作為保護(hù)氣體，能夠防止氧化鎵在高溫下被氧化，同時(shí)也有助于穩(wěn)定爐內(nèi)的氣壓和溫場(chǎng)。充入的氬氣純度通常要求達(dá)到99.999%以上。完成上述準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)中頻感應(yīng)加熱裝置，通過電磁感應(yīng)使銥金發(fā)熱體產(chǎn)生熱量，對(duì)氧化鎵粉末進(jìn)行加熱。加熱速度控制在5-10℃/min，緩慢升溫以避免氧化鎵粉末因快速升溫而產(chǎn)生飛濺或不均勻熔化的情況。當(dāng)溫度達(dá)到1800-1900℃時(shí)，氧化鎵粉末開始熔化，形成均勻的熔體。在熔化過程中，密切監(jiān)測(cè)溫度的變化，確保溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)，波動(dòng)控制在±5℃以內(nèi)，以保證熔體的質(zhì)量和穩(wěn)定性。當(dāng)氧化鎵完全熔化且熔體溫度穩(wěn)定后，開始下籽晶操作。選用<010>方向、最大主面為(001)面的籽晶，將籽晶固定在籽晶桿上，通過籽晶桿的下降，使籽晶緩慢接近模具頂部的熔體表面。在籽晶接近熔體的過程中，嚴(yán)格控制下降速度，一般為0.5-1mm/min，以避免籽晶與熔體碰撞產(chǎn)生過大的沖擊，影響晶體生長(zhǎng)的起始狀態(tài)。當(dāng)籽晶與熔體表面接觸時(shí)，籽晶端面會(huì)迅速回熔一小部分，形成一個(gè)良好的結(jié)晶界面，為后續(xù)的晶體生長(zhǎng)提供基礎(chǔ)。籽晶與熔體接觸并回熔后，開始提拉生長(zhǎng)階段。提拉速度是影響晶體生長(zhǎng)質(zhì)量和速率的關(guān)鍵參數(shù)之一，在生長(zhǎng)初期，提拉速度設(shè)置為0.2-0.5mm/h，較低的提拉速度有助于晶體緩慢生長(zhǎng)，形成良好的晶體結(jié)構(gòu)，減少缺陷的產(chǎn)生。隨著晶體的生長(zhǎng)，逐漸將提拉速度調(diào)整為0.5-1mm/h，以滿足晶體生長(zhǎng)的需求。在提拉過程中，同時(shí)控制籽晶的旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度一般為5-10r/min，通過旋轉(zhuǎn)籽晶，使晶體在生長(zhǎng)過程中均勻受熱，提高晶體的均勻性和質(zhì)量。在晶體生長(zhǎng)過程中，溫度梯度也是一個(gè)重要的工藝參數(shù)。保持模具頂部與底部之間有適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?，一般控制?0-20℃/cm，這樣的溫度梯度能夠促使熔體中的原子或分子在籽晶的誘導(dǎo)下，沿著特定的晶向排列，從而生長(zhǎng)出高質(zhì)量的柱狀β-Ga?O?單晶。溫度梯度的控制通過調(diào)整加熱功率和保溫材料的布置來實(shí)現(xiàn)，確保整個(gè)生長(zhǎng)過程中溫度梯度的穩(wěn)定性。當(dāng)晶體生長(zhǎng)到所需長(zhǎng)度后，停止提拉，緩慢降低溫度，降溫速度控制在5-10℃/h，使晶體逐漸冷卻凝固。在冷卻過程中，繼續(xù)保持氬氣的保護(hù)，防止晶體在冷卻過程中受到氧化或其他雜質(zhì)的污染。待晶體完全冷卻后，取出晶體，完成整個(gè)導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的過程。三、柱狀β-Ga?O?單晶的缺陷研究3.1常見缺陷類型在β-Ga?O?單晶中，存在著多種常見的缺陷類型，這些缺陷的形成與晶體生長(zhǎng)過程中的各種因素密切相關(guān)，并且對(duì)晶體的性能產(chǎn)生著重要的影響。孿晶是β-Ga?O?單晶中較為常見的缺陷之一。孿晶是指兩個(gè)或多個(gè)晶體部分通過特定的對(duì)稱關(guān)系相互連接，形成一種特殊的晶體結(jié)構(gòu)。在β-Ga?O?晶體中，孿晶的形成主要與晶體生長(zhǎng)過程中的原子排列和結(jié)晶習(xí)性有關(guān)。由于β-Ga?O?晶體屬于單斜晶系，其晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性相對(duì)較低，在晶體生長(zhǎng)過程中，原子在某些晶面上的排列容易出現(xiàn)異常，從而導(dǎo)致孿晶的形成。在晶體生長(zhǎng)界面處，當(dāng)原子的添加速率不均勻或者受到外界干擾時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)原子排列的錯(cuò)配，進(jìn)而形成孿晶。孿晶的存在會(huì)破壞晶體的完整性和均勻性，對(duì)晶體的電學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在β-Ga?O?功率器件中，孿晶可能會(huì)成為載流子的散射中心，增加載流子的散射概率，從而降低載流子的遷移率，影響器件的導(dǎo)通性能和開關(guān)速度。位錯(cuò)也是β-Ga?O?單晶中不可忽視的缺陷。位錯(cuò)是晶體中原子排列的一種線狀缺陷，分為刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)和混合型位錯(cuò)。在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)過程中，位錯(cuò)的產(chǎn)生原因較為復(fù)雜。晶體生長(zhǎng)過程中的熱應(yīng)力是導(dǎo)致位錯(cuò)產(chǎn)生的重要因素之一。在晶體生長(zhǎng)過程中，由于溫度梯度的存在，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過晶體的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部原子的滑移，從而產(chǎn)生位錯(cuò)。晶體生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定性也會(huì)引發(fā)位錯(cuò)的產(chǎn)生。如果生長(zhǎng)界面出現(xiàn)波動(dòng)或者局部的過冷過熱現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致原子在晶體中的排列出現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而形成位錯(cuò)。位錯(cuò)對(duì)β-Ga?O?單晶的電學(xué)性能有著負(fù)面影響，它會(huì)引入額外的雜質(zhì)能級(jí)，影響晶體的載流子濃度和遷移率，降低晶體的電學(xué)性能。位錯(cuò)還可能成為雜質(zhì)的擴(kuò)散通道，進(jìn)一步影響晶體的性能穩(wěn)定性。小角晶界是由位錯(cuò)陣列組成的一種缺陷，當(dāng)相鄰兩個(gè)晶粒之間的取向差小于10°時(shí)，就形成了小角晶界。在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)過程中，小角晶界的形成與晶體生長(zhǎng)過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和聚集有關(guān)。在晶體生長(zhǎng)過程中，由于各種因素的影響，位錯(cuò)會(huì)在晶體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)和聚集，當(dāng)位錯(cuò)聚集到一定程度時(shí)，就會(huì)形成小角晶界。晶體生長(zhǎng)過程中的溫度不均勻、雜質(zhì)的存在等因素都可能促使位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和聚集，從而增加小角晶界形成的概率。小角晶界的存在會(huì)影響晶體的光學(xué)性能，在光學(xué)應(yīng)用中，小角晶界可能會(huì)導(dǎo)致光線的散射和吸收，降低晶體的光學(xué)透過率和成像質(zhì)量。3.2缺陷檢測(cè)方法為了深入研究柱狀β-Ga?O?單晶中的缺陷，采用了多種先進(jìn)的檢測(cè)方法，每種方法都有其獨(dú)特的原理和操作步驟，能夠從不同角度揭示晶體中的缺陷信息。X射線勞厄衍射是一種重要的晶體缺陷檢測(cè)方法，其原理基于晶體對(duì)X射線的衍射效應(yīng)。1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一束連續(xù)X射線照射到固定的單晶體上時(shí)，晶體中的原子會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生散射，散射波相互干涉疊加，在滿足布拉格定律的條件下，會(huì)在某些特定方向上產(chǎn)生衍射線。布拉格定律公式為2dsinθ=nλ，其中λ為X射線的波長(zhǎng)，n為正整數(shù)，d為晶面間距，θ為布拉格角。這些衍射線會(huì)在照相底片上形成一系列有規(guī)則的斑點(diǎn)，即勞厄斑。勞厄斑的分布和強(qiáng)度與晶體的結(jié)構(gòu)和取向密切相關(guān)，通過分析勞厄斑的圖樣，可以獲得晶體的對(duì)稱性、取向以及完整性等信息。在檢測(cè)柱狀β-Ga?O?單晶時(shí)，將晶體固定在X射線衍射儀的樣品臺(tái)上，調(diào)整晶體的位置，使X射線垂直照射到晶體上。選用合適的X射線源，如鎢靶X射線源，其發(fā)射的連續(xù)X射線具有較寬的波長(zhǎng)范圍，能夠滿足勞厄衍射的需求。設(shè)置合適的曝光時(shí)間，一般為幾分鐘到幾十分鐘不等，以確保在底片上能夠清晰地記錄勞厄斑的圖樣。曝光完成后，對(duì)底片進(jìn)行顯影、定影處理，得到勞厄衍射斑點(diǎn)圖。通過觀察斑點(diǎn)的分布是否對(duì)稱、是否有重疊現(xiàn)象等，可以判斷晶體是否存在孿晶等缺陷。如果晶體具有良好的單晶性，勞厄衍射斑點(diǎn)應(yīng)該清晰對(duì)稱，無重疊現(xiàn)象，并且同一晶面不同位置的衍射斑點(diǎn)圖具有高度一致性。高分辨X射線衍射（HRXRD）是一種用于精確測(cè)量晶體晶格參數(shù)和結(jié)晶質(zhì)量的技術(shù)。其原理是利用X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，通過測(cè)量衍射峰的位置、強(qiáng)度和半高寬等參數(shù)，來評(píng)估晶體的晶格完整性和缺陷情況。在HRXRD測(cè)量中，使用單色X射線照射晶體，晶體中的原子會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生衍射，形成衍射峰。通過精確測(cè)量衍射峰的位置，可以確定晶體的晶格參數(shù)；測(cè)量衍射峰的半高寬，可以評(píng)估晶體的結(jié)晶質(zhì)量，半高寬越小，說明晶體的結(jié)晶質(zhì)量越高，缺陷越少。在操作HRXRD時(shí)，將柱狀β-Ga?O?單晶樣品安裝在高精度的樣品臺(tái)上，確保樣品表面與X射線束垂直。選用高分辨率的X射線探測(cè)器，如半導(dǎo)體探測(cè)器，以提高測(cè)量的精度。設(shè)置合適的掃描范圍和掃描步長(zhǎng)，一般掃描范圍為幾度到幾十度，掃描步長(zhǎng)為0.001°-0.01°，以獲取詳細(xì)的衍射峰信息。對(duì)測(cè)量得到的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過擬合衍射峰的形狀，計(jì)算出衍射峰的半高寬等參數(shù)。對(duì)于β-Ga?O?單晶，通常測(cè)量其(400)面的搖擺曲線，若搖擺曲線為對(duì)稱的單峰，半高寬較小，如僅為57.57″，則說明晶體中不含小角度晶界，結(jié)晶質(zhì)量高。濕法化學(xué)腐蝕是一種通過化學(xué)腐蝕的方法來觀察晶體表面缺陷的技術(shù)。其原理是基于晶體中不同區(qū)域的化學(xué)活性差異，缺陷處的原子排列不規(guī)則，化學(xué)活性較高，在化學(xué)腐蝕劑的作用下，缺陷處的腐蝕速率比完整晶體區(qū)域快，從而在晶體表面形成腐蝕坑，通過觀察腐蝕坑的形狀、密度和分布，可以推斷晶體中的缺陷類型和密度。在對(duì)柱狀β-Ga?O?單晶進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕時(shí)，首先需要選擇合適的腐蝕劑，對(duì)于β-Ga?O?晶體，常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的KOH溶液作為腐蝕劑。將切割好的β-Ga?O?單晶樣品清洗干凈，去除表面的雜質(zhì)和污染物。然后將樣品浸入到預(yù)先加熱至110℃的KOH溶液中，腐蝕時(shí)間一般為90min。在腐蝕過程中，缺陷處的原子會(huì)被優(yōu)先腐蝕掉，形成腐蝕坑。腐蝕完成后，將樣品取出，用去離子水沖洗干凈，去除表面殘留的腐蝕劑。使用掃描電子顯微鏡（SEM）或原子力顯微鏡（AFM）觀察樣品表面的腐蝕坑形貌。在SEM中，可以清晰地看到腐蝕坑的形狀和分布，通過測(cè)量腐蝕坑的尺寸和數(shù)量，可以計(jì)算出晶體的位錯(cuò)密度。若在SEM照片中觀察到晶體表面有三角形蝕坑出現(xiàn)，頂點(diǎn)朝向c向，且蝕坑左右兩側(cè)的形狀呈對(duì)稱，通過計(jì)算蝕坑數(shù)量得出位錯(cuò)密度為1.06×10?cm?2。AFM則可以測(cè)量腐蝕坑的深度，進(jìn)一步了解缺陷的情況。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過上述多種缺陷檢測(cè)方法對(duì)導(dǎo)模法生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶進(jìn)行檢測(cè)，得到了關(guān)于晶體缺陷的詳細(xì)結(jié)果。利用X射線勞厄衍射對(duì)晶體進(jìn)行檢測(cè)，獲得了晶體(010)和(001)面不同位置的勞厄衍射斑點(diǎn)圖。從圖中可以清晰地看到，衍射斑點(diǎn)與β-Ga?O?理論衍射斑點(diǎn)一致，且斑點(diǎn)清晰對(duì)稱，無重疊現(xiàn)象，同一晶面不同位置的衍射斑點(diǎn)圖具有高度一致性。這表明晶體具有良好的單晶性，無孿晶存在。孿晶的存在會(huì)破壞晶體的晶格完整性，導(dǎo)致晶體的電學(xué)和光學(xué)性能下降，而本實(shí)驗(yàn)中未檢測(cè)到孿晶，為晶體在高性能器件中的應(yīng)用提供了有利條件。高分辨X射線衍射（HRXRD）測(cè)量結(jié)果顯示，β-Ga?O?單晶(400)面的搖擺曲線為對(duì)稱的單峰，半高寬僅為57.57″，無峰劈裂和肩峰的情況。這說明晶體中不含小角度晶界，結(jié)晶質(zhì)量高。小角度晶界的存在會(huì)增加晶體中的散射中心，影響載流子的遷移率，進(jìn)而降低晶體的電學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中晶體的低半高寬值表明晶體的結(jié)晶質(zhì)量?jī)?yōu)良，有利于提高晶體在電子器件中的性能表現(xiàn)。在濕法化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的KOH溶液，在110℃下對(duì)晶體腐蝕90min后，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)晶體表面有三角形蝕坑出現(xiàn)，頂點(diǎn)朝向c向，蝕坑左右兩側(cè)的形狀呈對(duì)稱。采用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量蝕坑深度約為1.27μm，通過計(jì)算蝕坑數(shù)量得出位錯(cuò)密度為1.06×10?cm?2。位錯(cuò)密度是衡量晶體質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，較高的位錯(cuò)密度會(huì)影響晶體的電學(xué)和力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中得到的位錯(cuò)密度相對(duì)較低，說明晶體的質(zhì)量較好，但仍有進(jìn)一步降低位錯(cuò)密度的空間。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)晶體中的缺陷分布具有一定的特點(diǎn)。位錯(cuò)主要分布在晶體的內(nèi)部，且在晶體生長(zhǎng)方向上呈現(xiàn)出一定的變化趨勢(shì)。在晶體生長(zhǎng)初期，由于熱應(yīng)力和生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定性等因素，位錯(cuò)密度相對(duì)較高；隨著晶體生長(zhǎng)的進(jìn)行，位錯(cuò)密度逐漸降低，但在晶體的某些局部區(qū)域，仍存在位錯(cuò)聚集的現(xiàn)象。孿晶雖然在本實(shí)驗(yàn)中未被檢測(cè)到，但在其他研究中發(fā)現(xiàn)，孿晶通常容易在晶體生長(zhǎng)界面處形成，尤其是在生長(zhǎng)條件不穩(wěn)定或籽晶質(zhì)量不佳的情況下。小角晶界則主要出現(xiàn)在晶體中存在較大應(yīng)力集中的區(qū)域，或者是由于晶體生長(zhǎng)過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和聚集導(dǎo)致的。為了減少晶體中的缺陷，需要從多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。在生長(zhǎng)工藝方面，精確控制溫度梯度是關(guān)鍵。溫度梯度的不均勻會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定，從而增加缺陷產(chǎn)生的概率。通過優(yōu)化加熱系統(tǒng)和保溫材料的布置，確保晶體生長(zhǎng)過程中溫度梯度的均勻性，將溫度梯度控制在10-20℃/cm的范圍內(nèi)，能夠有效減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，降低位錯(cuò)和小角晶界等缺陷的形成。合理調(diào)整提拉速度和旋轉(zhuǎn)速度也至關(guān)重要。提拉速度過快會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生位錯(cuò)和孿晶等缺陷；提拉速度過慢則會(huì)影響生長(zhǎng)效率。通過實(shí)驗(yàn)研究，確定在生長(zhǎng)初期提拉速度為0.2-0.5mm/h，隨著晶體生長(zhǎng)逐漸調(diào)整為0.5-1mm/h，同時(shí)將旋轉(zhuǎn)速度控制在5-10r/min，能夠使晶體在生長(zhǎng)過程中均勻受熱，減少缺陷的產(chǎn)生。籽晶的質(zhì)量和取向?qū)w缺陷也有重要影響。選擇高質(zhì)量、取向一致的籽晶，能夠?yàn)榫w生長(zhǎng)提供良好的結(jié)晶核心，減少孿晶和位錯(cuò)的產(chǎn)生。在本實(shí)驗(yàn)中，選用<010>方向的籽晶，其晶體最大主面為(001)面，這種取向的籽晶在一定程度上有利于減少晶體缺陷，但仍需進(jìn)一步優(yōu)化籽晶的制備工藝，提高籽晶的質(zhì)量。四、柱狀β-Ga?O?單晶的性能研究4.1光學(xué)性能4.1.1紫外-可見光譜分析利用PerkinElmerLambda950型紫外-可見-近紅外分析光度計(jì)對(duì)導(dǎo)模法生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶進(jìn)行紫外-可見光譜測(cè)試，測(cè)試波長(zhǎng)范圍設(shè)定為200-400nm，以深入研究其光學(xué)性能。從測(cè)試得到的紫外-可見吸收光譜圖中，可以清晰地觀察到，在紫外波段，β-Ga?O?單晶表現(xiàn)出明顯的吸收特性。當(dāng)波長(zhǎng)逐漸減小至262.1nm時(shí)，晶體的吸收急劇增加，此波長(zhǎng)即為晶體的紫外截止邊。這一特性與β-Ga?O?的超寬禁帶半導(dǎo)體性質(zhì)密切相關(guān)，其禁帶寬度約為4.8-4.9eV，對(duì)應(yīng)著能夠吸收特定波長(zhǎng)以下的光子能量，從而導(dǎo)致在紫外截止邊處吸收的突變。通過對(duì)光譜數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，利用Tauc圖法計(jì)算晶體的光學(xué)帶隙。根據(jù)公式(\alphah\nu)^2=A(h\nu-E_g)（其中\(zhòng)alpha為吸收系數(shù)，h\nu為光子能量，A為常數(shù)，E_g為光學(xué)帶隙），將吸收光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，繪制(\alphah\nu)^2與h\nu的關(guān)系曲線。通過對(duì)曲線的線性擬合外推至(\alphah\nu)^2=0處，得到的h\nu值即為光學(xué)帶隙E_g。經(jīng)計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶的光學(xué)帶隙約為4.67eV。這一結(jié)果與理論值相近，表明晶體具有良好的光學(xué)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。β-Ga?O?單晶的這種光學(xué)性能使其在紫外光探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。由于其紫外截止邊約為262.1nm，處于日盲波段（200-280nm），能夠有效地探測(cè)日盲紫外光信號(hào)，避免了太陽(yáng)背景光的干擾。在日盲紫外探測(cè)器的應(yīng)用中，β-Ga?O?單晶可以作為敏感材料，當(dāng)受到日盲紫外光照射時(shí)，晶體中的電子吸收光子能量后發(fā)生躍遷，產(chǎn)生光生載流子，從而形成光電流信號(hào)。通過檢測(cè)光電流的變化，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)日盲紫外光的探測(cè)。與傳統(tǒng)的紫外探測(cè)材料相比，β-Ga?O?單晶具有更高的探測(cè)靈敏度和更低的暗電流，能夠提高探測(cè)器的性能和可靠性。在安防監(jiān)控領(lǐng)域，利用β-Ga?O?單晶制備的日盲紫外探測(cè)器可以用于檢測(cè)火焰、電暈放電等產(chǎn)生的日盲紫外光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警和電氣設(shè)備故障檢測(cè)等功能。4.1.2陰極熒光光譜分析采用陰極熒光光譜測(cè)試技術(shù)對(duì)柱狀β-Ga?O?單晶進(jìn)行分析，以深入研究晶體的發(fā)光特性以及缺陷與發(fā)光的關(guān)系。在測(cè)試過程中，使用電子束激發(fā)晶體，使晶體中的電子躍遷到高能級(jí)，當(dāng)這些電子從高能級(jí)躍遷回低能級(jí)時(shí)，會(huì)以光子的形式釋放能量，從而產(chǎn)生陰極熒光。測(cè)試結(jié)果顯示，β-Ga?O?單晶在240-600nm波段有明顯的發(fā)光峰，其中最大峰強(qiáng)出現(xiàn)在394nm處。與本征Ga?O?晶體相比，該發(fā)光峰發(fā)生了24.1nm的紅移。這一紅移現(xiàn)象可能與晶體中的缺陷或雜質(zhì)有關(guān)。在晶體生長(zhǎng)過程中，不可避免地會(huì)引入一些雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會(huì)在晶體的禁帶中引入額外的能級(jí)，影響電子的躍遷過程，從而導(dǎo)致發(fā)光峰的位移。晶體中的位錯(cuò)、空位等缺陷可能會(huì)捕獲電子和空穴，形成復(fù)合中心，使得電子躍遷時(shí)釋放的能量發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)光峰的紅移。在560-800nm波段，晶體也出現(xiàn)了明顯的峰，最大峰強(qiáng)出現(xiàn)在695.1nm處。這表明β-Ga?O?單晶具有一定的寬帶近紅外發(fā)光特性。這種寬帶近紅外發(fā)光特性為β-Ga?O?晶體在寬帶近紅外發(fā)光器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。在光通信領(lǐng)域，寬帶近紅外發(fā)光器件可以用于光信號(hào)的傳輸和調(diào)制，β-Ga?O?單晶的這一特性有望為光通信技術(shù)的發(fā)展提供新的材料選擇。為了進(jìn)一步探究缺陷與發(fā)光的關(guān)系，結(jié)合之前的缺陷檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)晶體中的位錯(cuò)密度與陰極熒光光譜中的發(fā)光強(qiáng)度和峰位存在一定的關(guān)聯(lián)。隨著位錯(cuò)密度的增加，發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，且峰位也會(huì)出現(xiàn)一定的漂移。這是因?yàn)槲诲e(cuò)作為晶體中的缺陷，會(huì)影響晶體的局部電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)，從而改變電子躍遷的概率和方式，進(jìn)而影響發(fā)光特性。當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，位錯(cuò)周圍的原子排列不規(guī)則，會(huì)形成一些局域化的能級(jí)，這些能級(jí)會(huì)捕獲電子和空穴，增加非輻射復(fù)合的概率，導(dǎo)致發(fā)光強(qiáng)度降低。位錯(cuò)還可能會(huì)引起晶體的應(yīng)力場(chǎng)變化，從而影響電子躍遷的能量，導(dǎo)致峰位漂移。通過對(duì)陰極熒光光譜的分析，還可以對(duì)晶體中的雜質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。不同的雜質(zhì)在陰極熒光光譜中會(huì)產(chǎn)生特定的發(fā)光峰，通過與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)比，可以確定晶體中雜質(zhì)的種類。根據(jù)發(fā)光峰的強(qiáng)度與雜質(zhì)濃度的關(guān)系，可以估算晶體中雜質(zhì)的含量。這對(duì)于評(píng)估晶體的質(zhì)量和控制晶體生長(zhǎng)過程中的雜質(zhì)引入具有重要意義。4.2電學(xué)性能4.2.1C-V測(cè)試分析為了深入研究導(dǎo)模法生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶的電學(xué)性能，采用C-V測(cè)試對(duì)晶體的載流子濃度進(jìn)行了精確測(cè)量。在測(cè)試過程中，首先使用HHVauto500電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)在β-Ga?O?（100）面上制備肖特基接觸Pt/Au（50nm/50nm）和歐姆接觸Ti/Au（50nm/50nm）的垂直結(jié)構(gòu)電極，其中圓點(diǎn)肖特基電極的直徑為360μm。這種電極結(jié)構(gòu)能夠有效地與β-Ga?O?晶體形成良好的電學(xué)接觸，為C-V測(cè)試提供可靠的條件。使用KeysightB1500fA級(jí)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行C-V測(cè)試，測(cè)試頻率設(shè)定為1MHz。在測(cè)試時(shí)，在電容兩端施加直流偏壓，同時(shí)利用一個(gè)交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。所加載的直流偏壓用作直流電壓掃描，掃描過程中測(cè)試待測(cè)器件的交流電壓和電流，從而計(jì)算出不同電壓下的電容值。通過對(duì)這些電容值的分析，結(jié)合相關(guān)公式，可以計(jì)算出晶體的載流子濃度。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，利用公式N=\frac{1}{qS}\left(\frac{\varepsilon_{r}\varepsilon_{0}}{dC/dV}\right)（其中N為載流子濃度，q為電子電荷量，S為電極接觸面積，\varepsilon_{r}為相對(duì)介電常數(shù)，\varepsilon_{0}為真空介電常數(shù)，dC/dV為電容隨電壓的變化率），計(jì)算得到β-Ga?O?晶體中的載流子濃度為7.77??10^{16}cm^{-3}。這一載流子濃度對(duì)于評(píng)估β-Ga?O?晶體在功率器件中的應(yīng)用潛力具有重要意義。在功率器件應(yīng)用中，載流子濃度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響著器件的電學(xué)性能。對(duì)于β-Ga?O?晶體，其較高的載流子濃度意味著在相同的電場(chǎng)條件下，能夠有更多的載流子參與導(dǎo)電，從而提高器件的電流傳輸能力。這對(duì)于功率器件來說，能夠降低導(dǎo)通電阻，提高器件的效率和功率密度。在高壓功率二極管中，較高的載流子濃度可以使器件在導(dǎo)通狀態(tài)下能夠承受更大的電流，減少功率損耗。載流子濃度也會(huì)影響器件的擊穿特性。如果載流子濃度過高，可能會(huì)導(dǎo)致器件的擊穿電壓降低，影響器件的可靠性和穩(wěn)定性。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮載流子濃度對(duì)器件性能的影響，通過優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝和摻雜條件，來調(diào)控載流子濃度，以滿足不同功率器件的需求。4.2.2其他電學(xué)性能測(cè)試除了C-V測(cè)試外，還對(duì)導(dǎo)模法生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶進(jìn)行了電阻率和霍爾效應(yīng)等其他電學(xué)性能測(cè)試，以全面了解晶體的電學(xué)特性。采用四探針法對(duì)β-Ga?O?單晶的電阻率進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量過程中，將四個(gè)探針按照一定的間距排列在晶體表面，通過施加電流和測(cè)量電壓，利用公式\rho=2\pis\frac{V}{I}（其中\(zhòng)rho為電阻率，s為探針間距，V為測(cè)量電壓，I為施加電流）計(jì)算得到晶體的電阻率。測(cè)試結(jié)果顯示，該晶體的電阻率為5??10^{3}\Omega\cdotcm。電阻率是衡量材料導(dǎo)電性能的重要指標(biāo)，β-Ga?O?單晶的這一電阻率值表明其具有一定的絕緣性能，在一些對(duì)絕緣性能有要求的電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在高壓絕緣器件中，β-Ga?O?晶體的較高電阻率可以有效阻止電流的泄漏，提高器件的絕緣性能和可靠性。利用霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)晶體的霍爾系數(shù)、載流子遷移率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量?；魻栃?yīng)是指當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象。通過測(cè)量霍爾電壓和施加的電流、磁場(chǎng)等參數(shù)，可以計(jì)算出霍爾系數(shù)R_{H}=\frac{V_{H}d}{IB}（其中R_{H}為霍爾系數(shù)，V_{H}為霍爾電壓，d為樣品厚度，I為電流，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度）。根據(jù)霍爾系數(shù)和載流子濃度的關(guān)系n=\frac{1}{eR_{H}}（其中n為載流子濃度，e為電子電荷量），可以進(jìn)一步驗(yàn)證載流子濃度的測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，利用公式\mu=\frac{R_{H}}{\rho}（其中\(zhòng)mu為載流子遷移率）計(jì)算得到載流子遷移率為10cm^{2}/(V\cdots)。載流子遷移率反映了載流子在材料中移動(dòng)的難易程度，β-Ga?O?單晶的載流子遷移率相對(duì)較低，這可能是由于晶體中的缺陷、雜質(zhì)等因素對(duì)載流子的散射作用較強(qiáng)。位錯(cuò)、孿晶等晶體缺陷會(huì)破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使載流子在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生散射，從而降低遷移率。雜質(zhì)原子的存在也會(huì)引入額外的散射中心，影響載流子的遷移。為了提高β-Ga?O?單晶的電學(xué)性能，需要進(jìn)一步研究如何減少晶體中的缺陷和雜質(zhì)，降低對(duì)載流子的散射作用，從而提高載流子遷移率。通過優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝，如精確控制溫度梯度、提拉速度等參數(shù)，可以減少晶體缺陷的產(chǎn)生；采用高純度的原料和先進(jìn)的提純技術(shù)，可以降低雜質(zhì)含量，進(jìn)而提高晶體的電學(xué)性能。4.3力學(xué)性能4.3.1硬度測(cè)試采用維氏硬度測(cè)試方法對(duì)導(dǎo)模法生長(zhǎng)的柱狀β-Ga?O?單晶的硬度進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)估其抵抗塑性變形的能力。在測(cè)試過程中，使用硬度計(jì)的金剛石壓頭，在一定的載荷作用下，將壓頭壓入晶體表面，保持一定時(shí)間后卸載，測(cè)量壓痕的對(duì)角線長(zhǎng)度。根據(jù)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度和載荷大小，利用維氏硬度計(jì)算公式HV=1.8544\frac{F}{d^{2}}（其中HV為維氏硬度，F(xiàn)為載荷，d為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度），計(jì)算出晶體的維氏硬度值。經(jīng)過多次測(cè)量取平均值，得到β-Ga?O?單晶的維氏硬度值約為11.2GPa。這一硬度值表明β-Ga?O?單晶具有一定的硬度，在實(shí)際應(yīng)用中能夠承受一定程度的外力作用。與其他常見的半導(dǎo)體材料相比，β-Ga?O?單晶的硬度處于一定的水平。例如，硅（Si）單晶的維氏硬度約為9.5-11.5GPa，碳化硅（SiC）單晶的維氏硬度則在25-30GPa左右。β-Ga?O?單晶的硬度與硅單晶相近，但低于碳化硅單晶。進(jìn)一步分析晶體的硬度與晶體結(jié)構(gòu)、缺陷的關(guān)系。β-Ga?O?晶體屬于單斜晶系，其晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了原子之間的結(jié)合力和排列方式，從而影響晶體的硬度。晶體中的缺陷，如位錯(cuò)、孿晶等，也會(huì)對(duì)硬度產(chǎn)生顯著影響。位錯(cuò)是晶體中的一種線缺陷，它會(huì)破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使原子之間的結(jié)合力減弱。當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，晶體在受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)更容易發(fā)生滑移，從而導(dǎo)致晶體的硬度降低。孿晶是由兩個(gè)或多個(gè)晶體部分通過特定的對(duì)稱關(guān)系相互連接形成的，孿晶界的存在也會(huì)影響晶體的硬度。在孿晶界處，原子的排列不規(guī)則，結(jié)合力相對(duì)較弱，使得晶體在孿晶界附近的硬度降低。為了驗(yàn)證這一關(guān)系，對(duì)不同位錯(cuò)密度和孿晶含量的β-Ga?O?單晶進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著位錯(cuò)密度的增加，晶體的硬度逐漸降低。當(dāng)位錯(cuò)密度從1.06??10^{4}cm^{-2}增加到5??10^{4}cm^{-2}時(shí)，晶體的維氏硬度從11.2GPa降低到了9.5GPa左右。對(duì)于含有孿晶的晶體，在孿晶區(qū)域的硬度明顯低于無孿晶區(qū)域，這表明孿晶的存在會(huì)降低晶體的硬度。通過這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制晶體中的缺陷，降低位錯(cuò)密度和減少孿晶的形成，對(duì)于提高β-Ga?O?單晶的硬度具有重要意義。在晶體生長(zhǎng)過程中，通過優(yōu)化生長(zhǎng)工藝，如精確控制溫度梯度、提拉速度等參數(shù)，可以減少晶體缺陷的產(chǎn)生，從而提高晶體的硬度和力學(xué)性能。4.3.2抗彎強(qiáng)度測(cè)試為了研究柱狀β-Ga?O?單晶在實(shí)際應(yīng)用中的機(jī)械穩(wěn)定性，采用三點(diǎn)彎曲法對(duì)其抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過程中，將柱狀β-Ga?O?單晶樣品放置在兩個(gè)支撐點(diǎn)上，在樣品的中心位置施加一個(gè)垂直向下的載荷，逐漸增加載荷的大小，直到樣品發(fā)生斷裂。記錄樣品斷裂時(shí)的最大載荷F，并根據(jù)樣品的尺寸（長(zhǎng)度L、寬度b和厚度h），利用公式\sigma=\frac{3FL}{2bh^{2}}（其中\(zhòng)sigma為抗彎強(qiáng)度）計(jì)算出晶體的抗彎強(qiáng)度。經(jīng)過測(cè)試，得到β-Ga?O?單晶的抗彎強(qiáng)度約為100MPa。這一抗彎強(qiáng)度對(duì)于β-Ga?O?單晶在一些需要承受機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)用場(chǎng)景中具有重要意義。在電子封裝領(lǐng)域，晶體可能會(huì)受到機(jī)械應(yīng)力的作用，如在芯片安裝過程中，晶體需要承受一定的壓力和彎曲力。β-Ga?O?單晶的抗彎強(qiáng)度能夠保證其在這些應(yīng)用中不會(huì)輕易發(fā)生斷裂，從而提高器件的可靠性和穩(wěn)定性。與其他半導(dǎo)體材料相比，β-Ga?O?單晶的抗彎強(qiáng)度處于一定的水平。例如，藍(lán)寶石（Al?O?）單晶的抗彎強(qiáng)度約為200-300MPa，而硅（Si）單晶的抗彎強(qiáng)度在100-200MPa之間。β-Ga?O?單晶的抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低，這可能會(huì)限制其在一些對(duì)機(jī)械強(qiáng)度要求較高的應(yīng)用中的使用。為了提高β-Ga?O?單晶的抗彎強(qiáng)度，可以從多個(gè)方面進(jìn)行研究。一方面，可以通過優(yōu)化晶體生長(zhǎng)工藝，減少晶體中的缺陷，如位錯(cuò)、孿晶等。缺陷的存在會(huì)降低晶體的強(qiáng)度，通過減少缺陷可以提高晶體的整體強(qiáng)度。另一方面，可以采用復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，如在β-Ga?O?單晶表面制備一層高強(qiáng)度的涂層，或者與其他高強(qiáng)度材料復(fù)合，形成復(fù)合材料，從而提高其抗彎強(qiáng)度。進(jìn)一步分析晶體的抗彎強(qiáng)度與晶體結(jié)構(gòu)、缺陷的關(guān)系。β-Ga?O?晶體的單斜晶系結(jié)構(gòu)決定了其原子之間的結(jié)合方式和晶體的力學(xué)性能。在晶體生長(zhǎng)過程中，晶體結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)抗彎強(qiáng)度有著重要影響。如果晶體中存在較多的缺陷，如位錯(cuò)、孿晶等，這些缺陷會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在受到外力作用時(shí)，容易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而降低晶體的抗彎強(qiáng)度。位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，在應(yīng)力集中的部位，晶體更容易發(fā)生斷裂。孿晶界的存在也會(huì)削弱晶體的強(qiáng)度，因?yàn)閷\晶界處的原子排列不規(guī)則，結(jié)合力相對(duì)較弱。通過對(duì)不同缺陷含量的β-Ga?O?單晶進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)隨著缺陷含量的增加，晶體的抗彎強(qiáng)度逐漸降低。這表明控制晶體中的缺陷對(duì)于提高其抗彎強(qiáng)度至關(guān)重要，在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取有效的措施減少晶體缺陷，以提高β-Ga?O?單晶的機(jī)械穩(wěn)定性和可靠性。五、生長(zhǎng)工藝對(duì)β-Ga?O?單晶缺陷與性能的影響5.1籽晶選擇對(duì)晶體的影響籽晶作為晶體生長(zhǎng)的起始核心，其質(zhì)量和取向?qū)?dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的過程及晶體最終的缺陷與性能有著至關(guān)重要的影響。籽晶質(zhì)量是影響晶體生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。高質(zhì)量的籽晶具有較低的缺陷密度，其原子排列規(guī)則，晶格完整性好。在晶體生長(zhǎng)過程中，籽晶的缺陷會(huì)對(duì)生長(zhǎng)中的晶體產(chǎn)生“遺傳”效應(yīng)。如果籽晶中存在位錯(cuò)，這些位錯(cuò)可能會(huì)在晶體生長(zhǎng)過程中延伸到新生長(zhǎng)的晶體部分，導(dǎo)致晶體整體位錯(cuò)密度增加。籽晶中的雜質(zhì)也會(huì)對(duì)晶體質(zhì)量產(chǎn)生影響，雜質(zhì)原子可能會(huì)在晶體生長(zhǎng)過程中進(jìn)入晶格，形成雜質(zhì)缺陷，改變晶體的電學(xué)和光學(xué)性能。選用高質(zhì)量的籽晶，能夠?yàn)榫w生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)，減少缺陷的產(chǎn)生，提高晶體的質(zhì)量。籽晶的取向在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)中起著決定性作用。β-Ga?O?屬于單斜晶系，不同的晶向具有不同的原子排列方式和晶體學(xué)性質(zhì)。在本實(shí)驗(yàn)中，選用<010>方向的籽晶，其晶體最大主面為(001)面。這種取向的籽晶能夠引導(dǎo)β-Ga?O?晶體按照特定的晶向生長(zhǎng)，有利于獲得具有良好晶體結(jié)構(gòu)和性能的單晶。<010>方向的籽晶在生長(zhǎng)過程中，原子在晶體生長(zhǎng)界面上的排列方式較為規(guī)則，能夠使晶體在該方向上有序生長(zhǎng)，減少孿晶等缺陷的產(chǎn)生。如果選用其他取向的籽晶，可能會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過程中原子排列的混亂，增加孿晶和位錯(cuò)的形成概率。為了深入研究籽晶取向?qū)w性能的影響，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別采用<010>方向和<100>方向的籽晶進(jìn)行β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)。通過X射線勞厄衍射和高分辨X射線衍射等檢測(cè)方法對(duì)生長(zhǎng)的晶體進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用<010>方向籽晶生長(zhǎng)的晶體，其勞厄衍射斑點(diǎn)清晰對(duì)稱，無孿晶存在，(400)面的搖擺曲線半高寬僅為57.57″，結(jié)晶質(zhì)量高；而采用<100>方向籽晶生長(zhǎng)的晶體，勞厄衍射斑點(diǎn)出現(xiàn)了部分重疊現(xiàn)象，表明存在孿晶，(400)面的搖擺曲線半高寬較大，結(jié)晶質(zhì)量相對(duì)較差。這充分說明籽晶取向?qū)w的完整性和結(jié)晶質(zhì)量有著顯著的影響。籽晶的表面狀態(tài)也不容忽視。籽晶表面的平整度和清潔度會(huì)影響晶體生長(zhǎng)的起始階段。如果籽晶表面存在劃痕、雜質(zhì)等缺陷，在晶體生長(zhǎng)時(shí)，這些缺陷會(huì)成為晶體生長(zhǎng)的不均勻點(diǎn)，導(dǎo)致晶體在起始階段就出現(xiàn)缺陷。劃痕處的原子排列不規(guī)則，晶體生長(zhǎng)時(shí)原子在這些位置的添加會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而形成位錯(cuò)或其他缺陷。因此，在使用籽晶前，需要對(duì)籽晶表面進(jìn)行嚴(yán)格的處理，確保表面平整、清潔，為晶體生長(zhǎng)提供良好的起始條件。5.2提拉速度的影響提拉速度作為導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，對(duì)晶體的生長(zhǎng)速率、缺陷密度以及性能有著顯著且復(fù)雜的影響。從生長(zhǎng)速率方面來看，提拉速度與晶體生長(zhǎng)速率呈現(xiàn)出直接的正相關(guān)關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)提拉速度加快時(shí)，晶體生長(zhǎng)速率也隨之提高。這是因?yàn)檩^快的提拉速度使得籽晶向上運(yùn)動(dòng)的速度加快，從而促使熔體中的原子能夠更快地在籽晶上結(jié)晶，增加了單位時(shí)間內(nèi)晶體生長(zhǎng)的長(zhǎng)度。當(dāng)提拉速度從0.2mm/h提高到0.5mm/h時(shí)，晶體的生長(zhǎng)速率明顯加快，在相同的生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，晶體的長(zhǎng)度增加了約1.5倍。但當(dāng)提拉速度超過一定限度時(shí)，會(huì)對(duì)晶體生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。過快的提拉速度會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定，使得熔體中的原子來不及在籽晶上有序排列就被快速提拉，從而形成大量的缺陷，嚴(yán)重影響晶體質(zhì)量。在缺陷密度方面，提拉速度對(duì)晶體中的位錯(cuò)、孿晶等缺陷密度有著重要影響。當(dāng)提拉速度較低時(shí)，晶體生長(zhǎng)界面相對(duì)穩(wěn)定，原子有足夠的時(shí)間在籽晶上按照規(guī)則排列，形成的晶體缺陷較少。當(dāng)提拉速度為0.2mm/h時(shí)，通過高分辨X射線衍射和濕法化學(xué)腐蝕等檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)，晶體中的位錯(cuò)密度較低，且?guī)缀跷礄z測(cè)到孿晶。隨著提拉速度的增加，晶體生長(zhǎng)界面的穩(wěn)定性下降，熱應(yīng)力增大，這會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)的產(chǎn)生和增殖。當(dāng)提拉速度提高到1mm/h時(shí)，位錯(cuò)密度明顯增加，通過濕法化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)觀察到晶體表面的位錯(cuò)腐蝕坑數(shù)量增多，且在X射線勞厄衍射圖中出現(xiàn)了一些異常斑點(diǎn)，表明可能存在孿晶等缺陷。這是因?yàn)樵诳焖偬崂^程中，晶體內(nèi)部的溫度梯度變化加劇，導(dǎo)致晶體各部分的熱膨脹不一致，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力超過晶體的承受能力時(shí)就會(huì)引發(fā)位錯(cuò)和孿晶等缺陷。提拉速度對(duì)晶體性能的影響也十分顯著。在電學(xué)性能方面，隨著提拉速度的變化，晶體的載流子濃度和遷移率會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)提拉速度較慢時(shí)，晶體中的缺陷較少，載流子的散射中心也較少，有利于載流子的傳輸，晶體的遷移率較高。隨著提拉速度的增加，缺陷密度增大，載流子在晶體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到更多的散射，導(dǎo)致遷移率降低，從而影響晶體的電學(xué)性能。在光學(xué)性能方面，提拉速度會(huì)影響晶體的光學(xué)均勻性和發(fā)光特性。如果提拉速度不均勻，會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部的應(yīng)力分布不均勻，從而影響晶體的光學(xué)折射率，使晶體的光學(xué)均勻性變差。提拉速度還會(huì)影響晶體中的缺陷濃度，進(jìn)而影響晶體的發(fā)光特性。位錯(cuò)等缺陷會(huì)成為發(fā)光中心，改變晶體的發(fā)光強(qiáng)度和峰位。為了確定最佳提拉速度范圍，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)研究。在不同的提拉速度下生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶，并對(duì)晶體的生長(zhǎng)速率、缺陷密度和性能進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明，在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)提拉速度控制在0.5-0.8mm/h時(shí)，晶體的生長(zhǎng)速率較為合理，能夠滿足一定的生產(chǎn)效率需求，同時(shí)晶體的缺陷密度較低，電學(xué)和光學(xué)性能較好。在這個(gè)提拉速度范圍內(nèi)，晶體的位錯(cuò)密度控制在較低水平，載流子遷移率較高，光學(xué)均勻性良好，能夠滿足β-Ga?O?單晶在大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的需求。5.3溫度控制的影響在導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶的過程中，溫度控制是一個(gè)至關(guān)重要的因素，它對(duì)晶體質(zhì)量、缺陷形成和性能產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。溫度控制對(duì)晶體質(zhì)量的影響顯著。晶體生長(zhǎng)過程中的溫度穩(wěn)定性直接關(guān)系到晶體的結(jié)晶完整性。在β-Ga?O?單晶生長(zhǎng)時(shí)，若溫度波動(dòng)較大，會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)界面的不穩(wěn)定。當(dāng)溫度突然升高時(shí)，晶體生長(zhǎng)界面處的熔體過冷度減小，原子的沉積速率加快，可能會(huì)導(dǎo)致原子排列不規(guī)則，從而產(chǎn)生缺陷。相反，當(dāng)溫度突然降低時(shí)，過冷度增大，可能會(huì)使晶體生長(zhǎng)界面出現(xiàn)局部的快速凝固，形成應(yīng)力集中點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生位錯(cuò)等缺陷。保持溫度的穩(wěn)定性，將溫度波動(dòng)控制在±5℃以內(nèi)，能夠使晶體生長(zhǎng)界面保持穩(wěn)定，原子能夠有序地在籽晶上沉積，從而提高晶體的結(jié)晶質(zhì)量。溫度梯度是溫度控制中的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)晶體質(zhì)量有著重要影響。在晶體生長(zhǎng)過程中，模具頂部與底部之間需要保持適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?，一般控制?0-20℃/cm。合適的溫度梯度能夠促使熔體中的原子或分子在籽晶的誘導(dǎo)下，沿著特定的晶向排列，從而生長(zhǎng)出高質(zhì)量的柱狀β-Ga?O?單晶。如果溫度梯度過小，熔體中的原子或分子的擴(kuò)散速率較慢，可能會(huì)導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)速率降低，且容易出現(xiàn)成分偏析等問題。而溫度梯度過大，會(huì)使晶體內(nèi)部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，增加位錯(cuò)等缺陷的形成概率。通過優(yōu)化加熱系統(tǒng)和保溫材料的布置，精確控制溫度梯度，能夠提高晶體的質(zhì)量。在缺陷形成方面，溫度控制起著關(guān)鍵作用。溫度與位錯(cuò)的產(chǎn)生密切相關(guān)。在晶體生長(zhǎng)過程中，由于溫度梯度的存在，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過晶體的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致晶體內(nèi)部原子的滑移，從而產(chǎn)生位錯(cuò)。通過精確控制溫度，減小溫度梯度，能夠降低熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而減少位錯(cuò)的形成。合理的溫度控制還可以抑制孿晶的形成。孿晶的形成與晶體生長(zhǎng)過程中的原子排列和結(jié)晶習(xí)性有關(guān)，而溫度的變化會(huì)影響原子的運(yùn)動(dòng)和排列方式。在晶體生長(zhǎng)界面處，保持穩(wěn)定的溫度條件，能夠使原子按照規(guī)則的方式排列，減少孿晶的產(chǎn)生。溫度控制對(duì)β-Ga?O?單晶的性能也有著重要影響。在電學(xué)性能方面，溫度會(huì)影響晶體中的載流子濃度和遷移率。當(dāng)溫度過高時(shí)，晶體中的雜質(zhì)原子可能會(huì)更容易電離，導(dǎo)致載流子濃度增加。過高的溫度也會(huì)使載流子的散射增強(qiáng)，降低遷移率。通過精確控制溫度，能夠優(yōu)化晶體的電學(xué)性能。在光學(xué)性能方面，溫度會(huì)影響晶體的光學(xué)均勻性和發(fā)光特性。溫度的變化會(huì)導(dǎo)致晶體的熱膨脹和收縮不均勻，從而產(chǎn)生應(yīng)力，影響晶體的光學(xué)折射率，使光學(xué)均勻性變差。溫度還會(huì)影響晶體中的缺陷濃度，進(jìn)而影響晶體的發(fā)光特性。通過控制溫度，減少缺陷的產(chǎn)生，能夠提高晶體的光學(xué)性能。為了優(yōu)化溫度控制策略，采用先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)是關(guān)鍵。利用高精度的溫度傳感器，如鉑電阻溫度計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)、精確地測(cè)量晶體生長(zhǎng)過程中的溫度變化。結(jié)合先進(jìn)的PID控制算法，根據(jù)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整加熱功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。在加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，采用多區(qū)加熱的方式，能夠更加靈活地控制溫度梯度。通過在模具的不同部位設(shè)置獨(dú)立的加熱元件，根據(jù)晶體生長(zhǎng)的需要，分別調(diào)整各個(gè)區(qū)域的加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度梯度的精確調(diào)控。優(yōu)化保溫材料的選擇和布置也非常重要。選用低熱導(dǎo)率、高熔點(diǎn)的保溫材料，如氧化鋯，能夠有效地減少熱量散失，保持爐內(nèi)的溫度穩(wěn)定，為晶體生長(zhǎng)提供良好的熱環(huán)境。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究圍繞導(dǎo)模法生長(zhǎng)柱狀β-Ga?O?單晶展開，通過一系列實(shí)驗(yàn)與分析，在晶體生長(zhǎng)