第四代半导体新进展：4英寸氧化镓单晶导电型掺杂

电子发烧友网综合报道 最近氧化镓领域又有了新的进展。今年1月，镓仁半导体宣布基于自主研发的氧化镓专用晶体生长设备进行工艺优化，采用垂直布里奇曼（VB）法成功实现4英寸氧化镓单晶的导电型掺杂。本次生长4英寸导电型氧化镓单晶仍沿用了细籽晶诱导+锥面放肩技术，籽晶与晶体轴向平行于[010]晶向，可加工4英寸（010）面衬底，适合SBD等高功率器件应用。
 
在以碳化硅和氮化镓为主的第三代半导体之后，氧化镓被视为是下一代半导体的最佳材料之一。氧化镓具有多种同分异构体，其中β-Ga2O3（β相氧化镓）最为稳定，也是目前在半导体应用中被研究最多，距离商业化应用最近的一种。
 
氧化镓本身的材料特性极为优异。我们都知道第三代半导体也被称为宽禁带半导体，而第四代半导体的一个重要特性就是“超宽禁带”，禁带宽度在4eV以上（金刚石5.5eV，β-Ga2O3禁带宽度4.2-4.9eV），相比之下，第三代半导体中碳化硅禁带宽度仅为3.2eV，氮化镓也只有3.4eV。
 
更宽的禁带，带来的优势是击穿电场强度更大，反映到器件上就是耐压值更高，同样以主流的β结构Ga2O3材料为例，其击穿电场强度约为8MV/cm，是硅的20倍以上，相比碳化硅和氮化镓也高出一倍以上。
 
在应用层面上，氧化镓主要被应用于光电以及高功率器件的领域。
 
2022年美国商务部工业和安全局的文件中披露，美国将对氧化镓和金刚石两种超宽禁带半导体衬底实施出口管制，也足以证明第四代半导体的重要性。
 
作为超宽禁带半导体（禁带宽度约4.8-4.9 eV），氧化镓其高击穿场强和热稳定性适合高压、高温应用，但本征缺陷常使其呈弱n型导电。通过掺入杂质改变半导体的导电类型（n型或p型）及载流子浓度。n型掺杂引入自由电子，p型掺杂引入空穴。
 
所以氧化镓单晶的导电型掺杂是解锁其在功率电子、深紫外光电器件等领域潜力的核心步骤。
 
与此同时，镓仁半导体在这次实现4英寸氧化镓单晶的导电型掺杂中采用了VB法，并使用自研的VB法长晶设备。去年9月，镓仁半导体推出了首台自研氧化镓专用晶体生长设备，不仅能够满足氧化镓生长对高温和高氧环境的需求，而且能够进行全自动化晶体生长，减少了人工干预，显著提高了生产效率和晶体质量。
 
据介绍，目前镓仁半导体VB法氧化镓长晶设备及工艺包已全面开放销售。
 
最近，国内氧化镓产业在大尺寸单晶衬底制备方面有不少新进展，杭州富加镓业通过自主研发的垂直布里奇曼（VB）法，成功实现4英寸导电型掺杂氧化镓单晶的稳定生长，并进一步开发了6英寸单晶衬底，厚度达12mm，可切割更多晶片，显著降低成本；铭镓半导体也宣布全球首创4英寸氧化镓晶坯技术，推动材料规模化生产。
 
氧化镓凭借其超宽禁带、低成本和耐高压特性，正从实验室迈向产业化。尽管面临热管理、产业链整合等挑战，随着技术突破和政策支持，其有望在功率电子和光电领域掀起新一轮半导体革命。