2025年5月，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司（以下簡(jiǎn)稱鎵仁半導(dǎo)體）在氧化鎵大尺寸晶體生長(zhǎng)與襯底加工技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，基于自主研發(fā)的氧化鎵專(zhuān)用晶體生長(zhǎng)設(shè)備，使用垂直布里奇曼（VB）法制備出100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底，該成果屬國(guó)際上首次報(bào)道。
此前，鎵仁半導(dǎo)體采用垂直布里奇曼（VB）法成功生長(zhǎng)出了100毫米氧化鎵單晶，經(jīng)過(guò)工藝迭代優(yōu)化，成功實(shí)現(xiàn)了100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底的制備，同時(shí)開(kāi)展了表征測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示：襯底內(nèi)無(wú)孿晶，單晶襯底 XRD搖擺曲線 半高寬(FWHM) 小于50 arcsec，襯底表面粗糙度（RMS）小于 0.1 nm，質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
【圖1】 鎵仁半導(dǎo)體VB法
100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底
【圖2】 鎵仁半導(dǎo)體VB法
100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底偏光照片
【圖3】 鎵仁半導(dǎo)體VB法
100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底XRD數(shù)據(jù)
【圖4】 鎵仁半導(dǎo)體VB法
100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底AFM數(shù)據(jù)
01
氧化鎵因何成為超寬禁帶半導(dǎo)體的新方向？
近年來(lái)，隨著新能源、光伏發(fā)電、雷達(dá)探測(cè)、5G移動(dòng)通信等領(lǐng)域的高速發(fā)展，以氧化鎵為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料開(kāi)始引起各界的廣泛關(guān)注與重視。氧化鎵相比于其他化合物半導(dǎo)體具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，以目前廣泛使用的氮化鎵為例進(jìn)行對(duì)比。
1.氧化鎵具有更高的工作電壓和功率：氧化鎵單晶禁帶寬度約為4.8eV，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約為8MV/cm，遠(yuǎn)大于氮化鎵(3.4eV，3.3MV/cm)，制作的功率器件具有更高的工作電壓、功率。
2.氧化鎵器件具有更低的能量損耗：氧化鎵的巴利加優(yōu)值約為3444，大約是氮化鎵的4倍，這使得使用氧化鎵研制的器件將具有更小的導(dǎo)通電阻和更高的功率轉(zhuǎn)換效率。
3.氧化鎵能同時(shí)滿足高頻率與高功率的要求：氧化鎵約翰遜優(yōu)值大(2844)，較氮化鎵（1089）更有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足高頻率與高功率的要求，在射頻領(lǐng)域前景廣闊。
4.氧化鎵具有優(yōu)異的紫外光電性能：氧化鎵單晶紫外截止邊波長(zhǎng)約為260nm，相比于氮化鎵（約365nm）更短，且紫外波段的透過(guò)率受載流子濃度影響小，在制備深紫外光電器件方面優(yōu)勢(shì)明顯。
5.氧化鎵具有更強(qiáng)的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性：氧化鎵相比氮化鎵更耐高溫，在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性更佳，在制作高壓功率器件、射頻器件、深紫外光電器件等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
02
選取(010)面進(jìn)行氧化鎵生長(zhǎng)有哪些優(yōu)勢(shì)？
在氧化鎵單晶襯底常見(jiàn)的主流晶面中，（010）襯底在物理特性和外延方面具有出色的表現(xiàn)：
1.（010）襯底熱導(dǎo)率最高，有利于提升功率器件性能；
2.（010）襯底具有較快的外延生長(zhǎng)速率，外延匹配度好，是外延優(yōu)選晶面。
目前，鎵仁半導(dǎo)體已推出晶圓級(jí)(010)氧化鎵單晶襯底產(chǎn)品，該產(chǎn)品面向科研市場(chǎng)，滿足科研領(lǐng)域?qū)?010)襯底的需求，促進(jìn)業(yè)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作。
03
為何采用 VB法進(jìn)行氧化鎵單晶生長(zhǎng)？
VB法在氧化鎵單晶生長(zhǎng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，正成為行業(yè)的新寵，國(guó)內(nèi)外氧化鎵襯底制造商均已開(kāi)始著手布局。
優(yōu)勢(shì)1：VB法適用于生長(zhǎng)軸向平行于[010]晶向的氧化鎵單晶，有利于加工出大尺寸（010）面單晶襯底。
優(yōu)勢(shì)2：VB法不使用貴金屬銥坩堝，無(wú)需考慮坩堝的氧化損耗，與常見(jiàn)使用銥坩堝的生長(zhǎng)方法相比，成本大幅降低。
優(yōu)勢(shì)3：VB法可采用空氣氣氛生長(zhǎng)單晶，能夠有效抑制氧化鎵的高溫分解，減少因坩堝腐蝕晶體中的夾雜物等缺陷，提升晶體質(zhì)量。
優(yōu)勢(shì)4：VB法溫度梯度小，因晶體熱應(yīng)力誘生的位錯(cuò)數(shù)量少，晶體質(zhì)量高。
優(yōu)勢(shì)5：VB法晶體在坩堝內(nèi)生長(zhǎng)，晶體直徑即坩堝直徑，因此無(wú)需控制晶體直徑，技術(shù)難度低且穩(wěn)定性高，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。
04
VB法生長(zhǎng)氧化鎵采用何種設(shè)備？
2024年9月，鎵仁半導(dǎo)體推出了首臺(tái)自研氧化鎵專(zhuān)用晶體生長(zhǎng)設(shè)備，不僅能夠滿足氧化鎵生長(zhǎng)對(duì)高溫和高氧環(huán)境的需求，而且能夠進(jìn)行全自動(dòng)化晶體生長(zhǎng)，減少了人工干預(yù)，顯著提高了生產(chǎn)效率和晶體質(zhì)量。
該設(shè)備通過(guò)工藝控制可獲得多種不同晶面的大尺寸單晶，且支持向更大尺寸單晶的升級(jí)，滿足高校、科研院所、企業(yè)客戶對(duì)氧化鎵晶體生長(zhǎng)的科研、生產(chǎn)等各項(xiàng)需求。該型氧化鎵VB法長(zhǎng)晶設(shè)備及其工藝包已全面開(kāi)放。
鎵仁半導(dǎo)體簡(jiǎn)介
杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司成立于2022年9月，是一家專(zhuān)注于氧化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料及設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的科技型企業(yè)。
鎵仁半導(dǎo)體引領(lǐng)行業(yè)創(chuàng)新，采用自主研發(fā)的鑄造法單晶生長(zhǎng)新技術(shù)，全球首發(fā)8英寸氧化鎵單晶襯底，創(chuàng)造了從2英寸到8英寸，每年升級(jí)一個(gè)尺寸的行業(yè)紀(jì)錄；開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)包含工藝包的氧化鎵專(zhuān)用VB長(zhǎng)晶設(shè)備，全面對(duì)外銷(xiāo)售。鎵仁半導(dǎo)體立足于解決國(guó)家重大需求，已掌握氧化鎵生長(zhǎng)、加工、外延等全鏈條的核心技術(shù)，獲得14項(xiàng)國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利，深耕于氧化鎵上游產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新。
公司產(chǎn)品包括不同尺寸、晶向和電阻率的氧化鎵襯底，可定制的氧化鎵籽晶等。產(chǎn)品主要應(yīng)用于面向國(guó)家電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、軌道交通、5G通信等領(lǐng)域的電力電子器件。經(jīng)過(guò)多年的攻關(guān)，公司已掌握從設(shè)備開(kāi)發(fā)、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)、晶體加工等全鏈條的核心技術(shù)，可提供完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氧化鎵襯底。鎵仁半導(dǎo)體立足于解決國(guó)家重大需求，將深耕于氧化鎵上游產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新，努力為我國(guó)的電力電子等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供產(chǎn)品保障。
