氧化镓衬底成本直降90% DG法颠覆长晶方法：NCT&NEDO引领行业变革

日本株式会社 Novel Crystal Technology（总部：埼玉县狭山市，代表取缔役社长：仓又朗人）作为 NEDO“经济安全保障重要技术培育项目／高输出・高效率功率器件／高频器件用材料技术开发／β-Ga2O3 晶圆、功率器件及功率模块的开发”（以下简称“该项目”）的实施单位，近日成功开发出一种不使用贵金属坩埚的晶体生长方法。由于该生长方法的特点在于以液滴形式供给原料熔液，因此被命名为 Drop-fed Growth（DG）法。

 与以往采用的 Edge Defined Film-Fed Growth（EFG）法相比，DG 法能够大幅削减作为极其昂贵的贵金属——铱的使用量。由此，可将氧化镓（β-Ga2O3）衬底的制造成本降低至以往的十分之一。

图1　采用开发的 DG 法生长的晶体

背 景

β-Ga2O3※1 由于其优异的材料物性，可用于制造低损耗的功率器件※2，预计可应用于家电、工业设备、电动汽车等中耐压（数百伏）市场，以及铁路车辆、电力系统等高耐压（数千伏）市场所需的功率电子设备。因此，在国内外已有多个与 β-Ga2O3 相关、预算规模庞大的国家级项目正在推进，材料开发与器件开发均十分活跃。

NCT 自 2015 年起采用 EFG 法制造 β-Ga2O3 衬底。然而，由于原料熔点高达约 1800℃，在 EFG 法中必须大量使用能够耐受高温的、价格极其昂贵的贵金属铱作为原料容器（坩埚），因此实现低成本化十分困难。为此，NCT 开发了一种不使用铱制坩埚的独自 β-Ga2O3 晶体生长方法，自 2024 年开始在该项目中推进开发工作。

本次成果

通过在加热方式和原料供给方法上的改进，成功在不使用铱制坩埚的情况下生长出直径 95 mm 的 β-Ga2O3 晶体。

采用感应加热※3对金属圆筒进行加热，通过提高加热室内的温度，使晶体（籽晶）表面受到来自加热室开口部的辐射而被加热熔融。借助该开口部的形状，可更容易地控制晶体表面的温度分布，从而更易实现与晶体直径相匹配的最佳温度分布，有利于实现大口径化。此外，在使晶体下降的同时，以液滴形式连续向晶体表面供给原料熔液，从而无需使用以往所需的铱制坩埚即可进行晶体生长（图2）。

所开发的 DG 法具有以下特点：

・不使用贵金属坩埚，可大幅削减铱的使用量

・对晶体生长面进行加热熔融，易于实现大口径化

・连续供给原料，可制造长尺寸晶体

图2　晶体生长装置示意图

图3 展示了采用 DG 法生长的直径 95 mm 的 β-Ga2O3 晶体。A 部分为籽晶，在其之上的 B 部分为生长得到的晶体。晶体呈圆柱形，晶体生长长度为 50 mm。通过添加杂质使其成为 n 型晶体。当仅添加 n 型杂质时，β-Ga2O3 晶体为蓝色，生长部分呈现深蓝色，可确认其为 n 型晶体。

图3　采用 DG 法生长的晶体
（A 部分为籽晶，B 部分为生长的长度）

据估算，DG 法通过大幅削减贵金属铱的使用量等措施，可将 β-Ga2O3 衬底的制造成本降低至传统 EFG 法的十分之一。

此外，DG 法已在国内外申请专利，并正在推进权利化进程。

・日本：专利第 7633637 号（已授权）、特开 2025-061932（审查中）

・美国：US 11,725,299 B2（已授权）、US 12,163,246 B2（已授权）

・欧洲：EP 3 945 147 A1（审核中）

・中国：CN 114000188 A（审核中）

今后的计划

NCT 将继续推进 DG 法的大口径化和晶体质量提升，计划自 2029 年起出货 150 mm（6 英寸）衬底，自 2035 年起出货 200 mm（8 英寸）衬底。

【注释】
※1　β-Ga₂O₃：由镓和氧构成的化合物，是一种宽禁带半导体。
※2　功率器件：指可控制高耐压、高电流的半导体器件，用于逆变器等电力变换设备。
※3　感应加热：在晶体生长中，通过向线圈通入高频电流产生磁场，使设置在线圈内侧的金属坩埚等产生涡电流并进行加热的方式。

来源：亚洲氧化镓联盟

*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。