全球首次采用垂直布里奇曼法（VB）成功制备6英寸β型氧化镓单晶

―为β型氧化镓基板的大口径、高品质做出贡献―

Novel晶体科技有限公司在全球首次采用垂直布里奇曼（VB）法成功制备出6英寸β型氧化镓（β-Ga2O3）单晶。有了这个结果，我们可以期待在实现更大直径和更高质量的 β-Ga2O3 衬底方面迈出一大步。如果β-Ga2O3功率器件得到广泛应用，太阳能发电用功率调节器、通用工业逆变器、电源和其他电力电子设备将变得更加高效和紧凑。最终用于汽车和工业的电气化，将有助于EV及飞行汽车等事物中电能的高效利用。

概述

近年来，碳化硅（SiC）*1和氮化镓（GaN）*2作为超越硅（Si）功率器件性能的材料而受到关注。β型氧化镓（β-Ga2O3）*3比这两种材料具有更大的带隙能量*4，因此具有实现更高性能功率器件的潜力，并且与硅（Si）一样，是一种可以用“熔液生长法”这种低成本制造高质量的单晶衬底。基于这些特性，如果β-Ga2O3功率器件*5投入实际应用，将有助于家电、电动汽车、铁路车辆、工业设备、太阳能发电、风力发电等电力电子设备损耗更低。由于可以降低成本，因此国内外企业和研究机构正在不断开发。此外，为了降低β-Ga2O3功率器件的成本并使其广泛应用于社会，必须增大β-Ga2O3衬底的直径，并且强烈渴望更大的单晶。

Novel晶体科技有限公司主要开发采用EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法的单晶制造技术，目前正在制造和销售2英寸和100毫米的基板用于研发。为了实现更大直径和更高质量的基板，我们在 JST 研究成果优化部署支持计划 (A-STEP)*6下，一直致力于使用 VB 方法开发 6 英寸 β-Ga2O3 基板。VB法生长β-Ga2O3单晶技术由信州大学发明并开发，目前已成功生产2英寸和4英寸单晶。Novel晶体科技有限公司继承了信州大学的这项培养技术，并不断开发更大的直径。因此，我们最近推出了VB法6英寸晶体生长装置，并成功生产了世界上第一颗VB法6英寸单晶。此外，负责晶体评价和分析的日本产业技术综合研究所，利用X射线形貌法对使用EFG法和VB法制造的单晶获得的基板进行了评价和比较。结果，他们发现，在VB生产的晶体中，EFG法中观察到的高密度线状缺陷得到了显著抑制，并且VB生产的晶体在质量方面更加优越。

本次的结果

[1] VB法制备6英寸单晶

图1(a)显示了Novel晶体科技有限公司目前用于晶体生产的EFG方法的概述。EFG法是生长方法中的一种，是一种可以轻松实现高生长率的生长方法。但所得晶体为板状，圆形衬底不好加工，在加工过程中产生不必要的浪费，增加成本，而且由于β-Ga2O3晶体具有很强的各向异性，对它的加工有很大的限制。同时提拉方向，限制了可以获得的基板的表面取向。图 1 (b) 显示了目前正在开发的 VB 方法的概述。VB法是将盛有原料的坩埚存放在具有温度梯度的炉中，原料熔化后，将坩埚下拉使其凝固的生长方法。这样可以获得与坩埚形状相同的晶体，因此如果使用圆柱形坩埚，则可以获得圆柱形晶体，这大大减少了基板加工过程中不必要的浪费，从而可以降低成本。此外，与使用提拉法的生长方法不同，该生长方法在坩埚中使熔体凝固，因此不易受到晶体各向异性对生长平面的约束，并且可以产生多种衬底平面取向，有望解决EFG方法的问题。另外，与提拉法相比，可以在温度梯度较小的环境中生长，这使得可以获得更高质量的晶体，并且由于可以获得垂直于晶体生长方向的衬底，因此另一个特点是可以在温度梯度较小的环境中生长晶体，从而有望提高面内浓度均匀性。

图1. （a）EFG法概要（b）VB法概要

图2 显示了使用新构建的VB法6英寸晶体生长装置获得的晶体的外观。从晶种到最终凝固部分都是透明的，表明都是单晶。另外，等径部(最宽部)的直径为6英寸以上，得到可用于形成6英寸基板的晶体。此外，我们发现我们能够生长继承籽晶取向的单晶。

图2. 使用VB法制备的6英寸单晶

（a）整体外观（b）种子晶体侧外观（c）最终固化部分侧外观

[2] 使用 X 射线形貌法评估EFG方法和VB方法基板质量

为了比较使用EFG法和VB法生长的晶体的质量，我们使用X射线形貌法（晶体缺陷评估方法之一）评估晶体质量。图 3 显示了使用 EFG方法和VB方法制造的基板的 X 射线形貌方法观察到的图像。如图3(a)所示，可以看出，使用EFG方法制造的基板上出现高密度的线性缺陷。另一方面，可以看出，通过图3(b)所示的VB方法制造的基板几乎没有出现线状缺陷。但是，使用 VB 方法制造的基板表面上的网状外观被认为是位错网络。尽管在使用EFG方法制造的基板的表面上没有观察到网状对比度，但由于线性缺陷引起的大应变场，因此很难看到。从以上观察结果发现，与使用EFG方法制造的基板相比，使用VB方法制造的基板的晶体质量得到改善。