2025年5月，杭州镓仁半导体有限公司（以下简称镓仁半导体）在氧化镓大尺寸晶体生长与衬底加工技术方面取得突破性进展，基于自主研发的氧化镓专用晶体生长设备，使用垂直布里奇曼（VB）法制备出100毫米(010)面氧化镓单晶衬底，该成果属国际上首次报道。

此前，镓仁半导体采用垂直布里奇曼（VB）法成功生长出了100毫米氧化镓单晶，经过工艺迭代优化，成功实现了100毫米(010)面氧化镓单晶衬底的制备，同时开展了表征测试。测试结果显示：衬底内无孪晶，单晶衬底 XRD摇摆曲线 半高宽(FWHM) 小于50 arcsec，衬底表面粗糙度（RMS）小于 0.1 nm，质量达到国际先进水平。

【图1】 镓仁半导体VB法

100毫米(010)面氧化镓单晶衬底

【图2】 镓仁半导体VB法

100毫米(010)面氧化镓单晶衬底偏光照片

【图3】 镓仁半导体VB法

100毫米(010)面氧化镓单晶衬底XRD数据

【图4】 镓仁半导体VB法

100毫米(010)面氧化镓单晶衬底AFM数据

01 氧化镓因何成为超宽禁带半导体的新方向？

近年来，随着新能源、光伏发电、雷达探测、5G移动通信等领域的高速发展，以氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料开始引起各界的广泛关注与重视。氧化镓相比于其他化合物半导体具有独特的优势，以目前广泛使用的氮化镓为例进行对比。

1.氧化镓具有更高的工作电压和功率：氧化镓单晶禁带宽度约为4.8eV，击穿电场强度约为8MV/cm，远大于氮化镓(3.4eV，3.3MV/cm)，制作的功率器件具有更高的工作电压、功率。

2.氧化镓器件具有更低的能量损耗：氧化镓的巴利加优值约为3444，大约是氮化镓的4倍，这使得使用氧化镓研制的器件将具有更小的导通电阻和更高的功率转换效率。

3.氧化镓能同时满足高频率与高功率的要求：氧化镓约翰逊优值大(2844)，较氮化镓（1089）更有优势，同时满足高频率与高功率的要求，在射频领域前景广阔。

4.氧化镓具有优异的紫外光电性能：氧化镓单晶紫外截止边波长约为260nm，相比于氮化镓（约365nm）更短，且紫外波段的透过率受载流子浓度影响小，在制备深紫外光电器件方面优势明显。

5.氧化镓具有更强的热稳定性与化学稳定性：氧化镓相比氮化镓更耐高温，在极端环境下的稳定性更佳，在制作高压功率器件、射频器件、深紫外光电器件等方面具有明显优势。

02 选取(010)面进行氧化镓生长有哪些优势？

在氧化镓单晶衬底常见的主流晶面中，（010）衬底在物理特性和外延方面具有出色的表现：

1.（010）衬底热导率最高，有利于提升功率器件性能；

2.（010）衬底具有较快的外延生长速率，外延匹配度好，是外延优选晶面。

目前，镓仁半导体已推出晶圆级(010)氧化镓单晶衬底产品，该产品面向科研市场，满足科研领域对(010)衬底的需求，促进业内产学研协同合作。

03 为何采用 VB法进行氧化镓单晶生长？

VB法在氧化镓单晶生长方面具有显著优势，正成为行业的新宠，国内外氧化镓衬底制造商均已开始着手布局。

优势1：VB法适用于生长轴向平行于[010]晶向的氧化镓单晶，有利于加工出大尺寸（010）面单晶衬底。

优势2：VB法不使用贵金属铱坩埚，无需考虑坩埚的氧化损耗，与常见使用铱坩埚的生长方法相比，成本大幅降低。

优势3：VB法可采用空气气氛生长单晶，能够有效抑制氧化镓的高温分解，减少因坩埚腐蚀晶体中的夹杂物等缺陷，提升晶体质量。

优势4：VB法温度梯度小，因晶体热应力诱生的位错数量少，晶体质量高。

优势5：VB法晶体在坩埚内生长，晶体直径即坩埚直径，因此无需控制晶体直径，技术难度低且稳定性高，易实现自动化控制。

04 VB法生长氧化镓采用何种设备？

2024年9月，镓仁半导体推出了首台自研氧化镓专用晶体生长设备，不仅能够满足氧化镓生长对高温和高氧环境的需求，而且能够进行全自动化晶体生长，减少了人工干预，显著提高了生产效率和晶体质量。

该设备通过工艺控制可获得多种不同晶面的大尺寸单晶，且支持向更大尺寸单晶的升级，满足高校、科研院所、企业客户对氧化镓晶体生长的科研、生产等各项需求。该型氧化镓VB法长晶设备及其工艺包已全面开放。

来源：镓仁半导体

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。