【会员论文】Novel Crystal Technology 仓又朗人社长团队：垂直布里奇曼法生长 2 英寸 n 型 β-Ga₂O₃ (011) 单晶

        由 Novel Crystal Technology 仓又朗人社长的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Growth of 2-inch n-type β-Ga₂O₃ (011) single crystal by vertical Bridgman method（垂直布里奇曼法生长 2 英寸 n 型 β-Ga₂O₃ (011) 单晶）的文章。

        β-Ga₂O₃ 凭借超宽禁带与极高理论击穿场强，是高压功率半导体的重要候选材料，巴利加优值远优于硅、碳化硅与氮化镓，熔体法可实现体单晶制备，适合制造低成本大功率器件。面向 10 kV 及以上高压电力装备，需要高纯度厚漂移外延层，(011) 取向衬底可抑制 HVPE 外延过程氯杂质掺入，同时规避外延层表面凹坑缺陷，是高压器件极具前景的衬底方案。但是导模法、直拉法、铸造法等现有主流熔体生长工艺受晶体生长取向限制，很难直接制备晶圆级 (011)β-Ga₂O₃ 单晶衬底。垂直布里奇曼法已经可以实现 (100)、(010)、(001) 多种取向大尺寸氧化镓单晶，但能否沿 (011) 法向实现 2 英寸单晶生长，晶体质量、电学均匀性表现尚未得到验证，制约 (011) 氧化镓功率器件的进一步发展。

        本研究采用垂直布里奇曼法，生长方向垂直于 (011) 晶面，成功制备出直径 2 英寸、有效长度约 60 mm 的 n 型 β-Ga₂O₃ (011) 单晶，并加工得到 2 英寸 β-Ga₂O₃ (011) 衬底。对取自晶体尾部附近的 2 英寸衬底开展正交偏光光学显微表征，未观察到孪晶与晶界缺陷。2 英寸 (011) 衬底 X 射线摇摆曲线 022 衍射峰半高宽为 32-43 角秒，证明晶体质量优异。霍尔测试证实样品表现 n 型导电，电阻率为 27-45 mΩ・cm。采用涡流法对 2 英寸衬底 9 个点位开展非接触电阻率测试，得到电阻率 28.1-29.9 mΩ・cm，体现出很高的电学均匀性。

        ①采用垂直布里奇曼法实现生长方向垂直 (011) 晶面的 2 英寸 n 型 β-Ga₂O₃ (011) 单晶生长，并制备对应衬底。

        ②晶体尾部附近衬底无孪晶、晶界缺陷，022 衍射摇摆曲线半高宽达到 32-43 角秒，晶体质量高。

        ③得到 n 型导电衬底，电阻率 27-45 mΩ・cm；涡流测试证明 2 英寸整片衬底具备优良面内电学均匀性。

        ④证实垂直布里奇曼法对 β-Ga₂O₃ 体单晶具备取向可调能力，为 (011) 大尺寸衬底制备提供新途径。

        本研究使用 Pt-Rh 合金坩埚，通过电阻加热垂直布里奇曼（VB）法成功生长出直径 2 英寸、有效长度约 60 mm、生长方向垂直 (011) 晶面的 n 型 β-Ga₂O₃ (011) 单晶，并由该单晶加工得到 2 英寸 β-Ga₂O₃ (011) 衬底。对取自晶体尾部附近的 2 英寸衬底进行正交偏光光学显微观测，未发现孪晶和晶界缺陷。化学机械抛光（CMP）后的 2 英寸 (011) 衬底摇摆曲线（XRC）测试显示，022 衍射峰半高宽为 32-43 角秒，表明晶体质量优异。霍尔效应测试表明样品为 n 型导电，电阻率 27-45 mΩ・cm；电子浓度为 1.5 × 10¹⁸-2.8 × 10¹⁸ cm⁻³，迁移率 78-90 cm²・V⁻¹・s⁻¹，电子浓度随熔体凝固分数增大而升高。凝固分数 0.8 的样品，霍尔测得电子浓度与二次离子质谱（SIMS）得到的电活性杂质（Sn、Si、Fe）估算的电子浓度吻合良好。在 2 英寸衬底 9 个点位开展涡流法非接触电阻率测试，得到电阻率 28.1-29.9 mΩ・cm，电学均匀性优异。上述结果说明晶体生长过程固-液界面接近平坦，杂质在生长截面上分布高度均匀。但坩埚下降过程中真实晶体生长行为仍有待进一步解析。该垂直布里奇曼法晶圆级 β-Ga₂O₃ (011) 衬底的实现，有望推动高压 β-Ga₂O₃功率器件的研发进程。

DOI：

doi.org/10.35848/1347-4065/aeaf30