2025年5月，杭州鎵仁半導體有限公司（以下簡稱鎵仁半導體）在氧化鎵大尺寸晶體生長與襯底加工技術方面取得突破性進展，基于自主研發(fā)的氧化鎵專用晶體生長設備，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，該成果屬國際上首次報道。

此前，鎵仁半導體采用垂直布里奇曼（VB）法成功生長出了100毫米氧化鎵單晶，經過工藝迭代優(yōu)化，成功實現(xiàn)了100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底的制備，同時開展了表征測試。測試結果顯示：襯底內無孿晶，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，質量達到國際先進水平。

【圖1】 鎵仁半導體VB法

100毫米(010)面氧化鎵單晶襯底

【圖2】 鎵仁半導體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體的新方向？

近年來，隨著新能源、光伏發(fā)電、雷達探測、5G移動通信等領域的高速發(fā)展，以氧化鎵為代表的超寬禁帶半導體材料開始引起各界的廣泛關注與重視。氧化鎵相比于其他化合物半導體具有獨特的優(yōu)勢，以目前廣泛使用的氮化鎵為例進行對比。

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，擊穿電場強度約為8MV/cm，遠大于氮化鎵(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通電阻和更高的功率轉換效率。

3.氧化鎵能同時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，同時滿足高頻率與高功率的要求，在射頻領域前景廣闊。

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約為260nm，相比于氮化鎵（約365nm）更短，且紫外波段的透過率受載流子濃度影響小，在制備深紫外光電器件方面優(yōu)勢明顯。

5.氧化鎵具有更強的熱穩(wěn)定性與化學穩(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。

02

選取(010)面進行氧化鎵生長有哪些優(yōu)勢？

在氧化鎵單晶襯底常見的主流晶面中，（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速率，外延匹配度好，是外延優(yōu)選晶面。

目前，鎵仁半導體已推出晶圓級(010)氧化鎵單晶襯底產品，該產品面向科研市場，滿足科研領域對(010)襯底的需求，促進業(yè)內產學研協(xié)同合作。

03

為何采用 VB法進行氧化鎵單晶生長？

VB法在氧化鎵單晶生長方面具有顯著優(yōu)勢，正成為行業(yè)的新寵，國內外氧化鎵襯底制造商均已開始著手布局。

優(yōu)勢1：VB法適用于生長軸向平行于[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2：VB法不使用貴金屬銥坩堝，無需考慮坩堝的氧化損耗，與常見使用銥坩堝的生長方法相比，成本大幅降低。

優(yōu)勢3：VB法可采用空氣氣氛生長單晶，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，提升晶體質量。

優(yōu)勢4：VB法溫度梯度小，因晶體熱應力誘生的位錯數(shù)量少，晶體質量高。

優(yōu)勢5：VB法晶體在坩堝內生長，晶體直徑即坩堝直徑，因此無需控制晶體直徑，技術難度低且穩(wěn)定性高，易實現(xiàn)自動化控制。

04

VB法生長氧化鎵采用何種設備？

2024年9月，鎵仁半導體推出了首臺自研氧化鎵專用晶體生長設備，不僅能夠滿足氧化鎵生長對高溫和高氧環(huán)境的需求，而且能夠進行全自動化晶體生長，減少了人工干預，顯著提高了生產效率和晶體質量。

該設備通過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，滿足高校、科研院所、企業(yè)客戶對氧化鎵晶體生長的科研、生產等各項需求。該型氧化鎵VB法長晶設備及其工藝包已全面開放。

鎵仁半導體簡介

杭州鎵仁半導體有限公司成立于2022年9月，是一家專注于氧化鎵等寬禁帶半導體材料及設備研發(fā)、生產和銷售的科技型企業(yè)。

鎵仁半導體引領行業(yè)創(chuàng)新，采用自主研發(fā)的鑄造法單晶生長新技術，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，每年升級一個尺寸的行業(yè)紀錄；開發(fā)了國內首臺包含工藝包的氧化鎵專用VB長晶設備，全面對外銷售。鎵仁半導體立足于解決國家重大需求，已掌握氧化鎵生長、加工、外延等全鏈條的核心技術，獲得14項國際國內發(fā)明專利，深耕于氧化鎵上游產業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新。

公司產品包括不同尺寸、晶向和電阻率的氧化鎵襯底，可定制的氧化鎵籽晶等。產品主要應用于面向國家電網、新能源汽車、軌道交通、5G通信等領域的電力電子器件。經過多年的攻關，公司已掌握從設備開發(fā)、熱場設計、晶體生長、晶體加工等全鏈條的核心技術，可提供完全具有自主知識產權的氧化鎵襯底。鎵仁半導體立足于解決國家重大需求，將深耕于氧化鎵上游產業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新，努力為我國的電力電子等產業(yè)的發(fā)展提供產品保障。