2025年2月，杭州鎵仁半導體有限公司(以下簡稱“鎵仁半導體”)在氧化鎵晶體生長與加工技術方面取得了新突破，成功實現(xiàn)6英寸斜切氧化鎵襯底的制備，其中襯底主面為(100)面沿 [00-1] 方向斜切4°。

圖1 鎵仁半導體6英寸斜切氧化鎵襯底 

表征結果顯示：襯底質(zhì)量方面，襯底XRD半高寬<90 arcsec，質(zhì)量已達到國際領先水平；襯底表面形貌方面，形成了明顯的臺階面，有利于進行臺階流外延生長；襯底面型參數(shù)方面，翹曲度(warp)為14.7 μm，彎曲度(Bow)為5.7 μm，總厚度偏差(TTV)為5.7 μm，面型參數(shù)已達到晶圓級標準，與同等尺寸碳化硅襯底產(chǎn)品水平相當。

圖2 鎵仁6英寸斜切氧化鎵襯底XRD數(shù)據(jù)

圖3 鎵仁6英寸斜切氧化鎵襯底表面粗糙度

圖4 鎵仁6英寸斜切氧化鎵襯底面型參數(shù)測試結果 

氧化鎵斜切襯底的意義

(100)正切氧化鎵襯底上外延薄膜往往以島狀生長模式為主，在島狀結構中含有失配位錯以釋放應變，島和島之間存在小角度取向偏差，彼此匯聚后會產(chǎn)生高位錯密度的邊界層，同時還會導致外延層表面粗糙度增大，因此外延生長時要避免島狀生長模式。

而(100)斜切襯底表面會形成臺階面，外延生長時原子傾向于吸附在臺階邊緣進行生長，可以使外延薄膜的生長模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕_階流生長，能夠避免晶格缺陷的形成，同時由于臺階流生長的特性，臺階流外延生長表面與襯底幾乎無區(qū)別，依然保持較低的粗糙度。

此外，基于研發(fā)團隊此前的研究結果，沿[00-1]方向斜切會暴露出 (-201) 的臺階面，還能抑制孿晶缺陷的形成。

根據(jù)德國萊布尼茨研究所的報導，研究人員在4°斜切的(100)氧化鎵襯底上成功實現(xiàn)了垂直FinFET器件的制備，平均擊穿場強達到2.7 MV/cm。（Kornelius Tetzner et al 2023 Jpn. J. Appl. Phys. 62 SF1010）。目前，鎵仁半導體已與德國萊布尼茨晶體生長研究所的孵化企業(yè)NextGO Epi 簽署全球戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將依托技術優(yōu)勢協(xié)同攻關，聚焦超寬禁帶半導體材料氧化鎵的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為全球半導體產(chǎn)業(yè)注入新動能。

氧化鎵斜切襯底的難點

氧化鎵襯底做斜切具有顯著優(yōu)勢，但要想實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應用，就需要制備出大尺寸斜切襯底。而與小尺寸斜切襯底相比，制備大尺寸斜切襯底的難度呈幾何倍數(shù)上升，主要難點體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）大尺寸厚晶錠的制備

由于氧化鎵單晶生長存在強各向異性，晶錠主面通常限定在少數(shù)幾個低指數(shù)晶面中，而(100)晶面由于表面能低，是主面形成最穩(wěn)定、成本最低的晶面，在產(chǎn)業(yè)化方面具有天然優(yōu)勢。但是，若要制備斜切襯底，尤其是大尺寸斜切襯底，就對晶錠的直徑與厚度均提出了嚴苛的要求。以6英寸斜切襯底為例，制作一片6英寸斜切襯底，要求氧化鎵晶錠直徑至少達到6英寸的同時，厚度也必須達到11.5mm以上。因此，制備大尺寸厚晶錠，是制作斜切襯底所面臨的第一個難點。

（2）大尺寸襯底的解理開裂與面型參數(shù)差

氧化鎵襯底存在(100)與(001)兩個解理面，在加工過程中極易產(chǎn)生解理開裂；同時，襯底尺寸越大往往也越難以保持平整，襯底的翹曲、彎曲、厚度偏差等面型參數(shù)就越難控制。

圖5 示意圖：不同角度斜切對晶錠厚度的需求

針對以上難點，鎵仁半導體研發(fā)團隊進行了成體系地研發(fā)攻關。

在晶體生長方面，團隊對鑄造法進行熱場升級與工藝優(yōu)化，成功制備出了6英寸厚晶錠，晶錠厚度達20mm以上。在襯底加工方面，團隊結合設備改造，對加工工藝進行了全面優(yōu)化，成功制備了高質(zhì)量6英寸斜切襯底，襯底面型參數(shù)達到晶圓級標準。

公司簡介

鎵仁半導體成立于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(chǎn)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(nèi)首臺包含工藝包的氧化鎵專用VB長晶設備，全面對外銷售；聯(lián)合浙江大學研究團隊深耕氧化鎵科研領域，在氧化鎵單晶生長、檢測和質(zhì)量評估等方向上均取得了關鍵技術的突破。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(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)品主要應用于面向國家電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、5G通信等領域的電力電子器件。經(jīng)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(chǎn)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(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。

（來源：鎵仁半導體）