近日，南方科技大学机械与能源工程系副教授邓辉研究团队在机械制造领域顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture发表题为“Atomic-scale smoothing of semiconducting oxides via plasma-enabled atomic-scale reconstruction”的最新研究成果。该论文首次提出一种基于等离子体诱发原子尺度重构（Plasma-enabled atomic-scale reconstruction，PEAR）效应的半导体氧化物材料原子级表面高效制造新技术。         

图1、该论文图文摘要。

作为一种新兴的超宽带隙透明半导体氧化物，氧化镓（Ga₂O₃）被认为是超越硅、砷化镓、碳化硅以及氮化镓等的第四代半导体材料。氧化镓具有极为优异的耐高压与紫外光响应特性，在诸多高性能器件领域（如射频器件、二极管以及日盲紫外探测器等）具有重要应用价值。目前，日本、美国等发达国家已针对氧化镓的生长、加工以及应用等各方面研究进行了长远战略布局。开展氧化镓相关研究对于实现我国在宽禁带半导体产业的技术引领具有重要意义。

制造原子尺度光滑、低损伤、原子规则排列的表面是开发高性能器件的关键。传统的机械抛光或化学机械抛光因其塑性形变去除原理与工具作用尺度远大于原子量级，难以获得满足高性能器件开发要求的高质量表面。基于此，邓辉团队提出了一种面向氧化物半导体材料的原子级表面制造新技术。该技术基于等离子体诱发原子尺度重构（PEAR）效应，可以高效获得超光滑且具有规则台阶结构的半导体氧化物表面。

图2为PEAR加工半导体氧化物晶圆的示意图。通过等离子体扫描式加工，大尺寸晶圆表面有望实现均一的重构（图2（a））。具体而言，PEAR加工前后晶圆表面及亚表面将呈现如下变化。从微米尺度而言（图2（b）），粗糙且具有机械划痕的原始表面将在PEAR作用下转变为光滑且具有规则台阶结构的表面。从原子尺度而言（图2（c）），原始晶圆表面存在非晶层，亚表面存在显著的损伤层；PEAR加工后，表面非晶层再结晶为完美单晶，亚表面损伤层被修复为完美单晶。图2（d）展示了原子级台阶表面形成的可能原理，其中包含表面原子的解离、传输、再吸附、迁移及再成键等五个基本过程。

图2、等离子体诱发原子尺度重构（PEAR）加工半导体氧化物材料示意图。（a）等离子体加工过程。（b）加工前后半导体氧化物表面微米尺度形貌变化。（c）加工前后半导体氧化物截面原子尺度形貌变化。（d）台阶表面形成过程。

根据以上原理，研究人员对多种半导体氧化物材料展开了原子级表面制造研究，结果如图3所示。对于最具代表性的β-Ga₂O₃而言，PEAR可在其不同晶面均实现显著的抛光效果；对于其他常见的半导体氧化物（如α-Al2O3，ZnO，与MgO）而言，经过PEAR加工后，均可获得原子尺度光滑且台阶结构清晰的表面。此外，透射电子显微镜结果表明，重构后的晶圆表面及亚表面原子排列规则，无明显的原子缺失。

图3、多种半导体氧化物材料的等离子体诱发原子尺度重构（PEAR）加工结果。

本研究所提出的等离子体诱发原子尺度重构（PEAR）技术具有以下四个突出特点（图4）。第一，该技术不涉及材料的增加或去除，属于典型的等材制造；第二、该技术不涉及任何机械应力作用，可实现无损伤、亚埃米级光滑表面的制造；第三，该技术可绿色、高效获得具有清晰台阶结构的表面，与传统机械及化学机械抛光方法相比具有显著优势；第四，该技术具有良好的普适性，可应用于常见半导体氧化物材料的原子级表面制造。作为一种典型的等离子体原子及近原子尺度制造技术（Plasma-based Atomic and Close-to-atomic Scale Manufacturing, Plasma-ACSM），PEAR有望应用于量子计算、显示与照明系统、大规模集成电路以及能量储存与转换等诸多领域。

图4、等离子体诱发原子尺度重构（PEAR）技术的突出特点及应用前景。

南科大机械与能源工程系2020级联合培养博士生张永杰为文章第一作者，邓辉为通讯作者，南科大为论文第一单位。邓辉团队成员2021级硕士研究生唐劲与2019级博士研究生梁绍祥（已毕业）参与了该工作。合作作者电子与电气工程系研究助理教授赵骏磊、助理教授化梦媛以及新加坡国立大学物理系副教授ZHANG Chun也为本文发表做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金委、深圳市发展和改革委员会以及南方科技大学等部门的大力支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0890695524000051 

供稿：机械与能源工程系

通讯员：贺龄慧

主图：张为创

编辑：朱增光