对β-Ga₂O₃与β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃的块 ... - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

由德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 发布了一篇名为 Current Status of Bulk β-Ga2O3 and β-(AlxGa1-x)2O3 Crystal Growth（β-Ga2O3 与 β-(AlxGa1-x)2O3 的块状晶体生长现状）的文章。

背景

β-Ga2O3 作为超宽带隙半导体（~4.8 eV），因其极高的击穿电场和优异的热化学稳定性，被视为下一代功率电子器件和深紫外光电探测器的核心候选材料。发展大尺寸、高质量的 β-Ga2O3 本征单晶是实现其产业化应用的前提。现阶段，主要采用熔体法（EFG、CZ、VB、DS 等）和气相法进行晶体生长，但不同方法在晶体尺寸、质量、成本等方面存在差异。合金化（β-(AlxGa1-x)2O3）为带隙可调的新材料方向，可拓展至高频器件和日盲区探测，但其大尺寸晶体的稳定生长仍处于起步阶段。

主要内容

β-Ga2O3 及其固溶体 β-(AlxGa1-x)2O3 因其超宽带隙（4.85–5.6 eV）和高击穿电场（≥8 MV·cm-1），被认为是下一代功率器件的潜在候选材料。由块体晶体制备的晶片构成了器件制造链中的基础。本文简要讨论了热力学特性、通过不同方法从熔体中生长块体晶体的挑战（目前可实现直径至少 2 英寸的晶片）、晶体结构质量、电学性能以及影响晶体生长成本的因素。

研究亮点

● 系统比较了 β-Ga2O3 的多种熔体生长方法（EFG、CZ、VB、DS）并总结其优缺点。

● 指出了 β-(AlxGa1-x)2O3 合金晶体在组分控制与相稳定性上的挑战。

● 强调了晶体缺陷控制（位错、裂纹、杂质）对性能的关键作用。

● 结合功率器件与深紫外探测应用，突出了大尺寸低缺陷晶体的重要性。

总结

目前已采用多种方法从熔体中生长大尺寸 β-Ga2O3 块体晶体，晶体尺寸可达至少 2 英寸。在晶圆尺寸方面（4、6 和 8 英寸），最适合的方法是 DS 和 EFG 法，同时 VB 法有望实现 6 英寸，提拉法（CZ）有望实现 4 英寸。看起来，在低温度梯度条件下生长时，CZ 方法能获得最佳的晶体结构质量，其次是 EFG 和 VB 法，而 DS 法生长的晶体结构质量相对较低。从电子器件应用的角度看，不同方法生长的晶体其电学性能总体上可以接受，但 EFG、VB 和 DS 法中的空洞类缺陷可能会在某些晶圆取向下影响器件运行。在固溶体方面，利用 CZ 法已成功生长出直径 2 英寸的 β-(AlxGa1-x)2O3 晶体，其中 Al 掺杂上限约为 40 mol.%，但随着 Al 含量的增加，晶体的电学性能会劣化。目前，由于晶体生长的产率尚未明确报道，因此难以对不同方法的晶体生长成本进行比较。不过，现阶段 4 英寸 β-Ga2O3 晶圆价格大约是 6 英寸 SiC 晶圆价格的 3–5 倍。