面向氧化镓功率器件的大尺寸氧化镓单晶材料技术介绍

近日，“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”于西安召开。论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）指导，西安交通大学、极智半导体产业网（www.casmita.com）、第三代半导体产业主办，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、第三代半导体产业技术创新战略联盟人才发展委员会、全国半导体应用产教融合（东莞）职业教育集团联合组织、西安和其光电股份有限公司等单位协办。

期间，中国电子科技集团第四十六研究所高级工程师霍晓青做了“面向氧化镓功率器件的大尺寸氧化镓单晶材料技术”的主题报告。

Ga2O3 共有五种晶相：α、β、γ、δ、ε，相互之间在特定条件下会有相变发生，其中β-Ga2O3是最稳定的相。可用熔体法生长，具备大尺寸、低缺陷、低成本等优点，是最有可能率先实现产业化的超宽带半导体材料。日本富士经济预测，到2025年，Ga2O3功率器件的市场规模将达到700亿日元左右，衬底及外延占总规模50%计算，预计350亿日元，约为2500万美元。我国“十四五”总体规划以及各专项规划也分别将Ga2O3半导体材料纳入发展重点。

从国内外氧化镓发展来看，2014年，采用CZ法成功生长出2英寸Mg掺杂氧化镓单晶，该方法不适用于高掺杂N型晶体，铱金坩埚成本高。EFG法可以实现大尺寸氧化镓单晶生长，可以实现低阻、高阻掺杂，生长速度快，但铱金坩埚成本高。VB法利用中频感应加热/电阻加热方式，使用铂铑坩埚，实现了2~3英寸(100)/(010)/(001) 面氧化镓单晶生长。可以实现高阻、低阻掺杂，成本相对较低，值得期待。2022年，日本C＆A株式会社和东北大学共同研发，采用冷坩埚法实现了2英寸的氧化镓衬底制备。国际上首个无贵金属法制备的氧化镓单晶。技术尚不成熟。

中国电科46所已成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。报告中介绍了中国电科46所研究进展，其中，目前已实现（100）、（001）、（010）、（-201）等多种晶面衬底制备。氧化镓晶体生长可重复性良好，可以实现低阻、高阻掺杂，并保持高结晶质量。氧化镓衬底加工表面质量良好，原子台阶清晰，平整度高，可以小批量供货。2021年底率先突破了HVPE氧化镓同质外延技术，国内唯一可以制备出2英寸HVPE β-Ga2O3同质外延片的单位。

HVPE热场流场的设计仿真和工艺的调控，对氧化镓外延表面平坦化的高精度控制，获得了高结晶质量高表面质量且均一性良好的HVPE氧化镓外延片。 当前系统能够实现有效可控的Si微量掺杂，且Si掺杂量随外延层厚度变化的均匀性良好，外延层载流子浓度 在5E15cm-3～1E18cm-3可调控。 

报告指出，近几年来，氧化镓在衬底、外延生长等方面进展很快，呈现出多种 方法齐头并进的局面，氧化镓单晶材料应用方向不断被拓展，氧化镓基器件性能得到大幅提升，SBD、MOSFET击穿场强远超SiC、GaN等材料的理论极限，未来可期；但是由于其结构特殊性，衬底和外延生长过程中仍面临很多挑战。

审核编辑：刘清