本文针对新一代半导体材料氧化镓单晶的制备和超精密加工技术进行研究。文章分析国内外氧化镓单晶制备与加工技 术的发展现状，研究氧化镓单晶制备技术，包括氧化镓单晶基本性质、氧化镓单晶生长方法分类及原理，探究氧化镓单晶的超精密加 工技术。通过研究发现：氧化镓单晶的超精密加工技术能实现高质量表面的制备，使加工精度达到纳米级，有效提高加工精度和 质量。

0.引言

近年来，作为现代电子技术的核心组成部分，半导 体材料在信息通信、能源存储、光电子等领域的应用越 发重要。但传统半导体材料在某些特殊环境下存在着 各种限制，如高温、高压、高频等条件下的工作性能不 佳，研究开发新一代半导体材料成为当前科学家关注的 焦点。而氧化镓单晶作为一种新兴的半导体材料，具有 优异的物理和化学性质，被广泛应用于光电子器件、传 感器、太阳能电池等领域。与传统硅材料相比，氧化镓 单晶具有更高的载流子迁移率、更宽的能带宽度、更低 的电阻率，在高功率电子器件中表现出更好的性能。因 此，研究氧化镓单晶的制备和超精密加工技术对于研究 半导体材料有重要的意义。

1.国内外氧化镓单晶制备与加工技术的发展现状

国内在氧化镓单晶的制备技术方面，主要采用提拉 法、浮区法、坩埚下降法等技术，其中浮区法制备的单晶质 量高、成本相对较低。另外，气相法如化学气相沉积和分 子束外延等技术也在不断发展，能够制备出高质量的氧化 镓薄膜。国外在氧化镓单晶制备方面同样取得了重要进 展。例如，日本的科研机构和企业利用改进的浮区法和坩 埚下降法，成功制备出大尺寸、高质量的氧化镓单晶；美国 和欧洲的科研团队也在气相沉积技术上取得了突破，能够 制备出具有优异光电性能的氧化镓薄膜。

国内在氧化镓单晶加工技术方面，主要采用切割、 研磨和抛光等技术 。同时，也有研究团队开始探索激 光加工、离子束加工等新型加工技术，以提高加工效率 和加工质量。国外在氧化镓单晶加工技术方面，除了传 统的机械加工技术外，更加注重发展精密加工技术。例 如利用激光加工技术进行微细加工，以及采用离子束刻 蚀技术进行表面改性等。这些技术的应用，使得氧化镓 单晶的加工精度和表面质量得到了显著提升。

2.氧化镓单晶的制备技术

２. １ 氧化镓单晶基本性质

氧化镓单晶是一种重要的半导体材料，其具有许多优 良的基本性质。氧化镓单晶是一种宽禁带半导体，其能隙 约为 ４. ８ ｅＶ，可实现高温操作，使得氧化镓单晶在高温环 境下表现出较好的稳定性；氧化镓单晶的载流子浓度较 低，具有较高的击穿场强，适合用于高功率器件的制备；氧 化镓单晶还具有优异的光学性能，其在紫外到红外波段均 有良好的透过性，并具有较高的折射率和较小的自由载流 子吸收系数，使得氧化镓单晶在光电子器件、光学传感器 等领域有着广泛的应用前景。

２. ２ 氧化镓单晶生长方法分类及原理

契赫拉尔斯基法将高纯度的金属镓放入石英坩埚中， 加热至金属镓完全熔化，然后在石英坩埚上方浸入石英拉 棒。通过控制拉棒的旋转和下降速度，使得熔池与拉棒之 间形成一定的接触角度，从而在熔池表面形成溶液团。随 着拉棒持续下降，溶液团逐渐凝固并沿着拉棒生长出 单晶。

单晶生长法是基于熔融液体的上升运动和凝固过程 中的晶体生长方法，在熔融液体的上升运动中，熔体中的 杂质会被排除到熔池表面，从而提高晶体的纯度。而在凝 固过程中，拉棒下降速度和旋转速度可控制晶体生长 速率。

水热法是一种在高温高压条件下进行的单晶生长方 法，将金属镓粉末与氢氧化钠等溶剂混合，并加热至高温。随着反应温度持续升高，金属镓和溶剂会发生反应生成氧 化镓，然后在高压条件下进行晶体生长。

分子束外延法是一种在超高真空条件下进行的单晶 生长方法，原理是基于分子束的沉积和表面扩散。在衬底 上蒸发金属镓，然后利用分子束外延系统中的分子束源将 金属镓蒸汽输送到衬底上，形成氧化镓薄膜。

２. ３ 氧化镓单晶生长装置与工艺参数优化

石英管炉通常由石英管、加热元件、气氛控制系统组成。石英管要具有高纯度和高耐热性能，以确保晶体生长过程中的良好环境；加热元件应能提供均匀的加热温 度，并对石英管和晶体生长过程无污染；气氛控制系统要 提供高纯度的气氛气体，精确控制气氛组分和流量。同 时，工艺参数优化对于获得高质量氧化镓单晶具有至关重要的作用。包括：

①温度。晶体生长过程中的温度梯度决 定晶体生长速率，虽然较大温度梯度有助于获得高生长速 率，但也容易产生晶体缺陷。因此，工作人员要根据具体 需求进行合适的温度梯度控制。

②气氛组分和流量。适 当的气氛组分可调节晶体的杂质浓度和晶体生长速率；流 量控制可保持稳定的气氛环境，并防止气氛组分的波动对 晶体质量的影响。

２. ４ 氧化镓单晶生长质量控制与评价

在制备氧化镓单晶过程中，生长质量控制与评价是非 常关键的环节。晶面纯度与晶格完整性直接影响氧化镓 的电学和光学性能。为了确保晶面纯度，可以采用高纯度 的原料和合适的生长工艺参数，如合适的生长温度、气氛 和生长速率等，也可以通过表面处理和衬底选择等方式， 减少晶格缺陷，并提高晶格完整性。同时，生长质量评价 要通过一系列的表征手段进行，一方面使用 Ｘ 射线衍射 和扫描电子显微镜（ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＥＭ） 等技术来观察晶体的结晶质量，其中 Ｘ 射线衍射提供晶 体的取向和晶面纯度信息，ＳＥＭ 观察晶体的表面形貌和 缺陷情况；另一方面，使用拉曼光谱和光致发光光谱等技 术来表征晶体的光学性能。

3.氧化镓单晶的超精密加工技术

３. １ 超精密加工技术概述

超精密加工技术是一种高度精细的制造技术，主要应 用于微电子、光学、航空航天等领域。它通过使用先进设 备，精确控制各种加工参数，实现亚微米级别的精度和毫 微米级别的表面光洁度。超精密加工技术的主要特点是 高精度、高可靠性和高稳定性。它可以对非常小的零件进 行加工，例如微型器件、微孔、微凹陷等。与传统加工技术 相比，超精密加工技术在精度和表面质量上有着明显的优 势。超精密加工技术的核心是先进的机械加工设备和精 密仪器。这些设备通常具有极高的刚性和稳定性，能在微 米甚至纳米级别进行运动控制。同时，精密仪器如高精度 测量仪器和纳米级表面检测仪器也是超精密加工过程中 不可或缺的工具 。

３. ２ 氧化镓单晶的机械加工技术

（１）氧化镓单晶切割。切割主要通过钻孔、线锯、切 割机进行实现。在切割前，需要根据具体需求设计切割方 向，并选择合适的工具和设备。切割时需要注意保持刀具 的锋利度，以保证切割出的氧化镓单晶具有良好的表面 质量。

（２）氧化镓单晶的研磨和抛光。研磨是通过砂轮或 者研磨液将氧化镓单晶表面的不平整部分去除，使其表面 平整度达到要求；抛光则是在研磨基础上进一步提高表面光洁度。研磨和抛光时需要控制研磨液浓度、研磨时间、 研磨速度等参数，从而获得理想的表面质量。

（３）氧化镓单晶的刻蚀。刻蚀是通过化学反应将氧 化镓单晶表面的部分材料去除，以实现特定的形状和尺寸要求。

３. ３ 氧化镓单晶的化学机械拋光技术

化学机械拋光技术是一种通过机械力和化学反应相 结合的表面处理方法，它能够在一定程度上使材料表面平 整，并去除表面的缺陷和污染物。对于氧化镓单晶来说， 化学机械拋光技术可以提高其表面光洁度和均匀性，从而 提高器件的性能。在氧化镓单晶的化学机械拋光过程中， 通常使用一种含有氢氧化钠和过氧化氢的碱性溶液作为 抛光液，这种抛光液能够与氧化镓表面发生化学反应，形 成可溶性的氧化镓化合物，并通过机械力的作用将其去 除。同时，抛光液中的碱性成分还能够中和氧化镓表面的 酸性成分，从而避免再次氧化。

３. ４ 氧化镓单晶的激光加工和微纳加工技术

激光加工是一种利用激光束对材料进行切割、打孔、 刻蚀等加工的技术，其不受材料硬度的限制，可实现高精 度、高效率加工。例如，在半导体器件制造过程中，常常需 要对氧化镓单晶进行精细切割和打孔，与传统加工方法相 比，其在切割薄材料时能够提高生产效率，降低加工成本。采用激光加工技术，在氧化镓单晶上实现微米级别的精细 加工，如与计算机数控系统结合，能够实现高精度控制，提 高加工的一致性。微纳加工技术是一种将微米尺度的结 构或器件制备在材料表面的技术，氧化镓单晶具有优异的 光学性能，特别适用于制备微纳光学器件，如制备光学波 导、衍射光栅等器件。

4.氧化镓单晶的表征与应用

４. １ 氧化镓单晶的表面形貌表征

氧化镓单晶的表面形貌可通过多种技术进行表征，其 中最 常 用 的 是 ＳＥＭ 和 原 子 力 显 微 镜 （ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＡＦＭ）。ＳＥＭ 通过扫描电子束与样品表面相互 作用产生的二次电子或后向散射电子来获取样品的表面形貌信息。ＡＦＭ 则使用一个非接触探针扫描样品表 面，并通过测量探针与样品之间的相互作用力来获得表面 形貌信息。这两种技术都能提供高分辨率的表面形貌图 像，帮助研究人员了解氧化镓单晶的微观结构和表面特征。通过 Ｘ 射线衍射等技术，测量氧化镓单晶的粗糙 度、晶体缺陷等参数，从而更好地了解其质量和结构， 如图 １ 所示。

４. ２ 氧化镓单晶的物理性能测试

氧化镓单晶的电学性能测试可测量氧化镓单晶的载 流子浓度、迁移率、电导率等参数，这些参数对于半导体器 件的设计和性能评估非常重要，常用的电学性能测试方法 包括霍尔效应测量、电阻率测量和电容－电压特性测量等。氧化镓单晶的光学性能测试可评估氧化镓单晶在可见光和紫外光区域的透明性、折射率等参数，这些参数 对于光电器件的设计和光学应用具有重要意义。常用的 光学性能测试方法包括透射光谱测量、反射光谱测量和激 光吸收测量等。

４. ３ 氧化镓单晶在半导体器件中的应用案例分析

本文将以发光二极管（ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）芯片 为例，分析氧化镓单晶在半导体器件中的应用案例，ＬＥＤ 是一种能够将电能转化为光能的半导体器件，具有高效、 节能、环保等优点。

首先，氧化镓单晶作为 ＬＥＤ 芯片的衬底材料，具有优 异的晶体质量和热扩散性能。由于 ＬＥＤ 芯片需要在高温 下工作，而且需要具备较好的电学性能，因此选择合适的 衬底材料非常重要。氧化镓单晶的晶体结构稳定，能够 提供良好的晶体生长平台，使得 ＬＥＤ 芯片能够实现高质 量的晶体生长。同时，氧化镓单晶的热扩散系数较低，有 助于将产生的热量迅速传导出去，保证 ＬＥＤ 芯片的稳定工作。

其次，氧化镓单晶可以作为 ＬＥＤ 芯片的电极材料， ＬＥＤ 芯片需要通过电流来激发光发射，而电极是将电流 引入芯片的重要部分。氧化镓单晶具有较高的导电性能 和稳定性，作为 ＬＥＤ 芯片的电极材料，保证电流的稳定输 入和高效传导，从而实现 ＬＥＤ 芯片的正常工作。

再次，氧化镓单晶还可以用于制备 ＬＥＤ 芯片的发光层，发光层是 ＬＥＤ 芯片中的关键部分，决定 ＬＥＤ 芯片的发 光效果和色彩表现。氧化镓单晶具有优异的光学性能，可 实现高亮度和纯净的光发射，从而提升 ＬＥＤ 芯片的发光效果和色彩还原度。

5.结语

综上所述，氧化镓单晶制备和超精密加工技术是当前 研究的热点方向。通过超精密加工技术则能够对其进行 精确的形状和表面处理。然而，目前仍存在一些问题需要 进一步解决，如氧化镓单晶的硬度高，加工难度大，容易产 生裂纹和损伤；加工过程中的热效应和应力集中可能导致 晶体结构的破坏；加工成本和效率也是制约其工业化应用 的重要因素。相信随着技术的不断发展，氧化镓单晶将在 半导体材料领域发挥更大的作用。

来源：半导体在线

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