【国际论文】日本FOX联合C＆A丨冷坩埚条件下的β-Ga₂O₃晶体生长：基于冷坩埚法的大规模氧化物晶体生长

        由日本FOX公司联合C＆A的研究团队在学术期刊 Journal of Crystal Growth 发布了一篇名为 β-Ga₂O₃ crystal growth with cold container crucibles: Large-scale oxide crystal growth from cold crucible method（冷坩埚条件下的 β-Ga₂O₃ 晶体生长：基于冷坩埚法的大规模氧化物晶体生长）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，在下一代高压、高频、高温功率器件中具有巨大潜力，能显著降低能量损耗。传统的熔体生长法通常需要使用贵金属铱（Ir）坩埚。由于铱价格极其昂贵且在氧气气氛下不稳定，限制了 Ga₂O₃ 的商业化应用。冷坩埚（OCCC）法利用水冷铜容器，让原料自身形成一个“自坩埚”层，从而摆脱对贵金属坩埚的依赖。该方法不仅消除了来自坩埚的金属污染，还允许在任意氧浓度气氛下生长，抑制晶体缺氧。虽然早期实验已证明了 OCCC 法的可行性，但在控制大直径晶体的引晶、缩颈和放肩以及拉长晶体体部方面仍面临挑战。本研究旨在通过新设备和工艺实现大规模晶体的稳定生长。

        采用冷坩埚氧化物晶体生长技术，成功实现了 β-Ga₂O₃ 单晶直径与长度的同步增大。通过配备自动直径控制功能的 150 mm 铜篮，实现了稳定的晶核生长、颈缩及肩部形成过程。最终成功获得直径达 32 mm、晶体长度达 50.8 mm（2 英寸）的单晶，标志着晶体尺寸扩展技术取得重大进展。X 射线摇摆曲线分析证实其半高全宽值可与导模法生长的衬底媲美。辉光放电质谱检测未发现铱、铂、钌等杂质痕迹。这些成果表明冷坩埚氧化物晶体生长技术作为可扩展、无污染且经济高效的大尺寸 β-Ga₂O₃ 晶体制备方法，将显著提升其在电力电子领域的应用潜力。

        ● 冷坩埚氧化物晶体生长技术实现了 β-Ga₂O₃ 晶体生长，无需昂贵贵金属坩埚。

        ● 成功完成试制放大：可实现 32 mm 直径与 50.8 mm（2 英寸）晶锭。

        ● 在晶核生长、颈缩及肩部形成阶段均实现稳定直径控制。

        ● 经 X 射线透射晶体学（XRC）验证，晶体质量优异，可媲美商用 EFG 衬底。

        本研究采用无坩埚氧化物晶体生长法（简称 OCCC 法），成功生长出大尺寸 β-Ga₂O₃ 单晶。通过采用新设计的 150 mm 直径铜篮和高频碳化硅基电源，在颈缩、肩部和主体形成过程中均实现了稳定的原子扩散速率（ADC）。最终获得直径达 38.1 mm（1.5英寸）、晶体达 50.8 mm（2 英寸）的单晶。X 射线反射率测量显示其晶体质量优异，可媲美电化学法生长晶体；杂质分析证实未受贵金属坩埚污染，仅检测到微量原料来源杂质。这些成果表明 OCCC 法作为 β-Ga₂O₃ 生长技术的可扩展、经济高效替代方案具有可行性。该方法既消除了铱、铂、钌等贵金属污染，又能适应任意氧分压环境，在晶体品质与工艺可持续性方面具有显著优势。后续工作应聚焦于优化热场控制、扩大晶体尺寸及降低残留杂质，为 OCCC 法生长的 β-Ga₂O₃ 衬底在下一代电力电子器件中的实际应用铺平道路。

图1. 冷坩埚氧化物晶体生长法（OCCC）示意图。

图2. (a) 经延长缩颈工艺生长的 β-Ga₂O₃ 晶体，(b) 直径扩大试验获得的晶体，以及(c) 直径约 20 mm、晶体长度10 mm 的晶体。

图3. (a) 直径 32 mm、长度 50.8 mm（2 英寸）的 β-Ga₂O₃ mm；(b)、(c) 直径 40 mm、长度 15 mm 的晶体。

图4. X 射线透射成像测量结果及样品图像。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2025.128461