2025年5月，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司（以下簡稱鎵仁半導(dǎo)體）在氧化鎵大尺寸晶體生長與襯底加工技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，基于自主研發(fā)的氧化鎵專用晶體生長設(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）法成功生長出了100毫米氧化鎵單晶，經(jīng)過工藝迭代優(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)開展了表征測試。測試結(jié)果顯示：襯底內(nèi)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(zhì)量達(dá)到國際先進(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，隨著新能源、光伏發(fā)電、雷達(dá)探測、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(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)行氧化鎵生長有哪些優(yōu)勢(shì)？

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(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，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？

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

優(yōu)勢(shì)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(shì)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(shì)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(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，晶體直徑即坩堝直徑，因此無需控制晶體直徑，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)自研氧化鎵專用晶體生長設(shè)備，不僅能夠滿足氧化鎵生長對(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，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)氧化鎵晶體生長的科研、生產(chǎn)等各項(xiàng)需求。該型氧化鎵VB法長晶設(shè)備及其工藝包已全面開放。

鎵仁半導(dǎo)體簡介

杭州鎵仁半導(dǎo)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(dǎo)體材料及設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的科技型企業(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；開發(fā)了國內(nèi)首臺(tái)包含工藝包的氧化鎵專用VB長晶設(shè)備，全面對(duì)外銷售。鎵仁半導(dǎo)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(shù)，獲得14項(xiàng)國際國內(nèi)發(fā)明專利，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)用于面向國家電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、5G通信等領(lǐng)域的電力電子器件。經(jīng)過多年的攻關(guān)，公司已掌握從設(shè)備開發(fā)、熱場設(shè)計(jì)、晶體生長、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，努力為我國的電力電子等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供產(chǎn)品保障。