【国际时事】名古屋大学实现硅基 β-Ga₂O₃ 异质外延及高速外延生长突破

日期：2026-03-19阅读：15

日本名古屋大学的研究人员与大学衍生企业 NU-Rei 株式会社合作，展示了氧化镓（Ga₂O₃）外延生长方面的六项进展。这种半导体材料在电动汽车、电力转换系统和航天应用的下一代电力器件中具有较大潜力。氧化镓在电力半导体行业中正受到越来越多关注，因为其理论上能够利用相对丰富且成本较低的原材料，实现更高电压等级的器件。

这些成果由名古屋大学低温等离子体科学中心的研究团队于2026年3月15日至18日在日本应用物理学会春季会议上发布。这六项成果从整体上推进了氧化镓器件走向制造所需的关键工艺体系，其中包括一项全球首次实现的异质外延生长——在硅基衬底上生长氧化镓外延层，这一步有望显著降低器件成本并改善散热性能。

这些成果建立在名古屋大学于2025年9月发布的氧化镓p型控制研究进展基础之上，并正通过 NU-Rei 株式会社推进商业化，旨在支持高压、高频及硅集成器件应用中的氧化镓生长工艺落地。

新型氧自由基源成为核心技术

本次研究的核心是一种新开发的高密度氧自由基源（HD-ORS）。该氧源在薄膜生长过程中提供的原子氧密度较传统方法提升约2倍。更高的氧密度能够显著促进亚氧化镓向目标产物 Ga₂O₃ 的转化反应，同时抑制挥发性副产物的表面逸出，从而避免对薄膜生长速率的限制。该氧源兼容分子束外延（MBE）和物理气相沉积（PVD）。

全流程工艺进展

围绕氧化镓外延生长与器件制造，研究团队在多个关键环节取得了进展：

HD-ORS开发

新型氧源采用臭氧-氧气混合气体，将原子氧密度提升至传统水平的约2倍，同时兼容MBE与PVD工艺，为后续外延生长提供了高效基础。

高速MBE同质外延生长

利用HD-ORS，研究团队在掺锡Ga₂O₃衬底上实现了β-Ga₂O₃的同质外延生长，在300°C条件下生长速率达到约1 µm/h。通过X射线衍射（XRD）和反射高能电子衍射（RHEED）确认了（001）晶面的外延生长。较低的生长温度有助于降低热应力，并提高与其他器件材料的兼容性。

高速PVD同质外延生长

在PVD工艺中引入HD-ORS后，实现了（001）取向的稳定同质外延薄膜生长，速率超过1 µm/h，接近传统MBE的约10倍，显示出面向规模化制备的潜力。

硅衬底预处理技术

针对硅基外延需求，研究团队建立了一套预处理工艺：通过湿法清洗去除原生氧化层，并在表面引入单原子层Ga吸附，以防止升温过程中的再氧化。这一工艺对于后续异质外延生长至关重要。

在硅基上的异质外延生长（首次实现）

基于上述预处理方法，团队在2英寸Si(100)衬底上实现了Ga₂O₃的异质外延生长，并通过热处理确认其单晶结构。相较于Ga₂O₃本征衬底，硅衬底成本更低，同时具有更高的热导率，有助于改善器件散热性能。

基于NiO扩散层的p型形成

针对镓基半导体难以实现p型掺杂的问题，研究团队采用镍离子注入结合退火工艺，形成具有p型特性的NiO扩散层。在此基础上，在Ga₂O₃和GaN衬底上验证了pn结特性，其电流密度达到标准镍肖特基二极管的约2倍。