β-Ga2O3与β-(AlxGa1?x)2O3体单晶生长技术现状及其在功率器件中的应用前景

《IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing》：Current Status of Bulk β-Ga?O? and β-(AlxGa?-?)?O? Crystal Growth

本刊特邀编辑推荐：为解决下一代功率器件对超宽禁带半导体材料的需求，研究人员系统开展了β-Ga2O3及其固溶体β-(AlxGa1?x)2O3体单晶生长研究。通过优化EFG（边缘限定薄膜生长）、CZ（直拉法）、VB（垂直布里奇曼法）等熔体生长技术，成功制备出直径达6英寸的晶体，并阐明氧分压调控对晶体缺陷抑制的关键作用。该研究为高耐压、低损耗功率器件奠定了材料基础，对推进半导体制造业发展具有重要意义。

　　

在追求更高能效、更小体积的功率电子器件浪潮中，超宽禁带半导体材料逐渐成为行业焦点。其中，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其4.85电子伏特的超宽禁带宽度和高达8兆伏/厘米的击穿电场强度，被视为突破硅基和碳化硅（SiC）材料性能极限的潜力股。然而，要将这种材料从实验室推向产业化，首先需要解决高质量、大尺寸体单晶的制备难题——这恰如为未来功率器件铸造一座坚实的地基。当前β-Ga₂O₃晶体生长面临多重挑战：高温下材料易分解产生镓金属，侵蚀贵金属坩埚；晶体内部易形成空洞缺陷；大尺寸晶体生长时热场控制困难。更关键的是，如何通过铝（Al）元素掺杂形成β-(Al_xGa_1?x)₂O₃固溶体以进一步拓宽带隙， yet 保持晶体质量，成为研究者亟需攻克的科学高峰。

为系统解决这些问题，德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）的Zbigniew Galazka在《IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing》上发表了综述性研究，全面梳理了全球范围内β-Ga₂O₃及其固溶体体单晶生长技术现状。研究团队通过热力学模拟与实验验证相结合，揭示了氧分压（p(O₂)）调控对抑制镓金属生成的核心作用；系统比较了边缘限定薄膜生长（EFG）、直拉法（CZ）、垂直布里奇曼法（VB）、直接凝固法（DS）和冷坩埚法（CC）五种主流生长技术的特点；并首次报道了直径达2英寸的β-(Al_xGa_1?x)₂O₃（铝含量≤40摩尔百分比）单晶生长成果。这项研究不仅为行业提供了晶体生长工艺的优化路径，更从成本效益角度分析了不同技术的产业化潜力，为功率半导体材料的技术选型提供了重要参考。

研究主要依托熔体生长技术体系，通过精确控制生长气氛中的氧浓度（0.3%-100%范围）抑制材料分解；采用贵金属铱（Ir）或铂铑（Pt-Rh）合金坩埚保障高温稳定性；通过低温度梯度设计降低晶体缺陷密度。针对不同方法特点：EFG法通过毛细作用输送熔体，CZ法通过动态提拉控制晶体形态，VB法采用定向凝固技术，DS法通过熔体直接凝固实现大尺寸成型，CC法则利用电磁场实现无坩埚接触生长。所有晶体样品均通过X射线衍射、蚀刻坑密度（EPD）测试、霍尔效应测量等进行结构与电学性能表征。

晶体生长方法比较分析

研究显示，EFG法可生长6英寸晶锭但易产生10³-10⁵ cm^?2量级的位错和10² cm^?2量级的空洞缺陷，源于生长界面氧供应不足。

CZ法通过暴露熔体表面与氧气直接接触，在7-20%氧浓度下生长的2英寸晶体无空洞缺陷，位错密度≤5×10³ cm^?2，但晶体长度受近红外吸收限制。

VB法使用一次性Pt-Rh坩埚，虽可实现6英寸晶体生长，但存在镓金属污染和缺陷问题。

DS法生长8英寸晶锭但缺陷密度高，CC法则尚处开发阶段仅能获得薄晶片。

β-(Al_xGa_1?x)₂O₃晶体生长突破

IKZ成功生长铝含量达35摩尔百分比的2英寸单晶，带隙拓宽至5.6电子伏特。但铝含量超过20摩尔百分比时需使用晶格匹配的籽晶，且电学性能随铝含量增加而劣化。

电学性能表征

晶体载流子浓度（n_e）在10¹⁶-10¹⁹ cm^?3范围，电子迁移率（μ_e）最高达160 cm²V^?1s^?1。β-(Al_xGa_1?x)₂O₃的迁移率随铝含量增加而下降，铝含量≥25摩尔百分比时呈绝缘特性。

成本影响因素分析

研究从12个维度对比了各方法的成本结构：EFG法因晶锭体积小、原料可重复使用而具成本优势；VB法和DS法虽一次性转化全部原料但坩埚不可复用；CZ法因铱坩埚损耗和能耗较高而成本居前；CC法无坩埚成本但技术成熟度低。当前4英寸β-Ga₂O₃晶圆价格仍为6英寸SiC晶圆的3-5倍。

该研究通过多维度技术剖析，证实CZ法在晶体结构质量方面优势显著，而EFG和DS法在大尺寸晶圆制备上更具潜力。特别是指出氧分压精确调控是保障晶体质量的核心手段，以及铝掺杂固溶体带隙可调但电学性能受限的客观规律。这些结论为功率半导体材料的技术路线选择提供了关键依据：对于追求高可靠性的垂直结构器件，应优先选择低缺陷密度的CZ法晶体；而对成本敏感的水平结构器件，EFG法晶体已可满足基本需求。更重要的是，研究揭示了β-Ga₂O₃基材料从实验室走向产业化仍需攻克成本控制与缺陷抑制的双重挑战，为后续研究指明了方向——开发新型坩埚保护技术、优化热场设计、探索缺陷工程手段，方能使这种超宽禁带半导体真正承担起下一代功率革命的重任。