浙江大学杨德仁院士、张辉教授团队开展面向器件应用的 4 英寸 Fe 掺杂 β-Ga₂O& ...

由浙江大学杨德仁院士、张辉教授的研究团队在学术期刊《人工晶体学报》发布了一篇名为Growth and Properties of 4-Inch Fe Doped (010) β-Gallium Oxide Using Vertical Bridgman Method（垂直布里奇曼法生长4英寸Fe掺杂（010）β-氧化镓及其性能表征）的文章。

背景

自 20 世纪以来，硅基功率器件经历了从金属氧化物半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）到绝缘栅双极晶体管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）和超结晶体管（SJ-MOS）的演进，目前仍是电力电子市场的主流。然而，硅的带隙较窄（约 1.12 eV），限制了其在高压、高频领域的应用，通常适用于 ≤650 V（MOSFET）和 ≤6.5 kV（IGBT）的中低电压范围。

在此背景下，宽禁带半导体如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）逐渐替代硅基器件。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体（约 4.9 eV），具备高击穿场强（8 MV/cm），显著优于 SiC（3 MV/cm）和 GaN（3.3 MV/cm）。这一特性使 Ga₂O₃ 功率器件可在更薄的漂移层和更高掺杂浓度下工作，显著降低比导通电阻和开关损耗，提升器件设计灵活性。其 Baliga 优值（BFOM ≈ 3444）远超 SiC（约 340），显示出在超高压智能电网（>10 kV）、全电飞机推进系统等极端环境下的应用前景。目前已报道多种高压 Ga₂O₃ 器件及日盲探测器。

此外，Ga₂O₃ 可采用熔体法生长大尺寸单晶衬底，具备成本低、质量高的优势，与其他超宽禁带半导体（如金刚石和氮化铝）相比更易实现产业化。在多种熔体生长技术中，导模法（edge-defined film-fed growth，EFG）已实现 6 英寸（1 英寸 = 2.54 cm）衬底量产，但高氧环境对铱坩埚的腐蚀推高了成本，且产出率较低，约为直拉法（Czochralski，Cz）的 1/10～1/100。直拉法同样面临铱坩埚损耗的问题。

相比之下，垂直布里奇曼法（vertical Bridgman，VB）采用铂铑合金坩埚，成本更低，且可在 20%～50%（体积分数）的氧氛围（如空气）中工作，显著抑制 Ga₂O₃ 分解。结合 VB 法固有的低温度梯度，可获得更优的单晶质量。例如，Igarashi 等采用 VB 法成功生长出 6 英寸（010）β-Ga₂O₃ 单晶，其平均摇摆曲线半峰全宽为 22.56″，且无晶界，显示出良好的结晶性能。实际生产中，VB 法出片量为 EFG 法的 3～4 倍，单片成本降低约 70%，因此 VB 法有望成为大尺寸氧化镓衬底制备的主流技术。

本研究旨在验证采用 VB 法生长 4 英寸 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 衬底的可行性。通过 FLUENT 软件优化温场结构，获得理想的固液界面形貌与温度梯度；并对衬底的结晶质量、表面形貌与电学性能进行系统评估。结果表明，所得衬底质量良好，适用于外延生长与器件制备。

主要内容

本文采用自主设计的垂直布里奇曼（VB）晶体生长系统，结合仿真迭代优化温场结构，成功实现了以微凸固液界面与适宜温度梯度生长大尺寸、高质量的Fe掺杂β相半绝缘氧化镓（β-Ga₂O₃）单晶。经加工制备出高质量的4英寸（010）取向半绝缘衬底。对该衬底的结晶质量、表面形貌及电学性能进行系统表征。测试结果表明，衬底无裂纹等宏观缺陷，X射线摇摆曲线半峰全宽（FWHM）均低于50″，显示出优良的结晶质量。表面形貌分析显示，衬底最大表面粗糙度为0.074 nm，局部厚度偏差（LTV）小于3.4 μm，总厚度偏差（TTV）为4.157 μm，翘曲度（Warp）和弯曲度（Bow）分别为5.886和1.103 μm，说明衬底加工质量良好。电学测试表明，衬底平均电阻率达7.9×1010 Ω·cm，面内不均匀性为7.77%，证明VB法在实现均匀掺杂方面表现优异，具备应用于微波射频（RF）器件的潜力。

创新点