厚度可达20mm!3个国产氧化镓项目取得新突破

2024-10-31

近日,国内多家企业在氧化镓(Ga₂O₃)领域上取得显著进展,详情请往下看:

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镓仁半导体:

6英寸氧化镓单晶厚度达20mm

10月29日,杭州镓仁半导体有限公司宣布在氧化镓单晶生长技术方面取得了显著进展:成功利用自主研发的第二代铸造法技术生长出超厚6英寸氧化镓单晶,晶锭厚度可达20mm以上。

据了解,在同等直径下单晶晶锭厚度达到国际领先,是导模法(EFG)晶锭厚度的2-3倍。同时,结合镓仁半导体的超薄衬底加工技术,单个晶锭出片量可以达到原有的3-4倍,单片成本较原来可降低70%以上。此外,提高氧化镓单晶晶锭厚度,更有利于制备各种晶向以及斜切角度的大尺寸衬底(6英寸4度斜切需要约12mm厚晶锭)满足下游不同外延和器件环节的特殊需求。

公开资料显示,镓仁半导体成立于2022年9月,是一家专注于氧化镓等宽禁带半导体材料研发、生产和销售的科技型企业。公司自成立以来,一直致力于氧化镓单晶生长新技术的开创和研发,已经拥有国际、国内发明专利十余项,成功突破了美国、德国、日本等西方国家在氧化镓衬底材料上的垄断和封锁。

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深圳平湖实验室:

成功开发新型β相氧化镓

10月30日,深圳平湖实验室发布在氧化镓理论研究方面取得重要进展:采用铑固溶方式理论成功开发出新型β相铑镓氧三元宽禁带半导体。

据了解,这一成果主要针对解决氧化镓价带能级低和p-型掺杂困难等问题。此外,该成果“Rhodium-Alloyed Beta Gallium Oxide Materials: New Type Ternary Ultra-Wide Bandgap Semiconductors”已在《Advanced Electronic Materials》期刊上发表并受邀提供期刊封面设计。该文章也被收录到《Progress and Frontiers in Ultrawide bandgap Semiconductors》专题。文章第一作者为查显弧博士,通讯作者为张道华院士,共同作者包括万玉喜主任和李爽副教授。

半导体材料的功率特性(巴利加优值)与其带隙的立方成正比。氧化镓具有超宽的带隙(4.9电子伏)和成熟的制备方法,是功率器件的理想材料。然而,已有氧化镓器件的功率特性仍显著低于材料的理论极限,原因在于氧化镓价带顶能级低,能带色散关系平坦。杂质掺杂受主能级多在1电子伏以上,难以实现有效的p-型导电。目前,氧化镓器件多基于肖特基势垒或与其他氧化物(如氧化镍)形成p-n异质结。较低的肖特基势垒及p-n异质结的高界面态限制了氧化镓器件的功率特性。如何实现氧化镓的p-型掺杂成为当下研究的一个关键问题。

图一、β相氧化镓晶体结构及能带结构图。

本工作基于第一性原理考察了铑固溶氧化镓结构。由于铑的原子半径与镓接近,铑固溶氧化镓具有较低的混合焓,固溶构型具有高稳定性。这种现象在实验上也得到了证实,采用Pt-Rh坩埚生长氧化镓晶体时,铑易进入氧化镓晶格。基于能带结构分析,铑固溶氧化镓仍是宽禁带半导体,其价带顶由铑和邻近的氧原子轨道杂化形成,对应能级较氧化镓价带顶显著上升。此外,价带顶附近能带色散曲率增加,这与沿[010]晶向离域的电子态密度密切相关,故该工作作者建议在氧化镓[010]晶向衬底外延生长铑固溶氧化镓外延层。具体地,铑固溶摩尔比浓度在0-50%范围内,固溶体的半导体带隙在3.77和4.10电子伏之间,其价带顶能级相较于氧化镓上升了至少1.35电子伏。铑摩尔比为25%时,其空穴有效质量仅为氧化镓的52.3%,这有助于实现p型掺杂,扩展材料应用范围和改进器件的性能。

图二、(a)和(b)分别为铑固溶摩尔比为25%时的晶体结构及能带结构图。(c) 铑固溶氧化镓β-(RhxGa1-x)2O3在不同摩尔浓度x下的能带对齐图。

富加镓业:

Ga₂O₃外延片完成验证

10月29日,杭州富加镓业科技有限公司宣布,旗下氧化镓外延片完成MOSFET横向功率器件验证。

据了解,富加镓业利用分子束外延技术(MBE)研制了高性能的氧化镓外延片产品,采用非故意掺杂层与Sn掺杂层复合的双层外延结构,衬底材料为半绝缘型(010)Fe掺杂氧化镓,主要应用于横向功率器件。常规产品掺杂层载流子浓度为1-4E17cm-3,迁移率>80 cm2/V·s,表面粗糙度<2 nm。

此外,富加镓业还与国家重点研发计划项目的器件团队合作,成功制备了击穿电压大于2000 V、电流密度为60 mA/mm的MOSFET横向功率器件,与进口同类型外延片制备器件性能相当。

国家重点研发计划项目合作器件团队对该款MBE氧化镓外延片产品进行了初步流片验证,12 μm栅漏间距氧化镓MOSFET器件电流密度为60 mA/mm(图a),比导通电阻约为42 mΩ∙cm2,击穿电压可达2242 V(图b),与采用进口同类材料的器件性能相当。

未来,富加镓业将根据器件研制反馈结果,持续改进和优化,对外延产品进行新一轮迭代,致力于为下游器件厂商提供稳定可控的高质量氧化镓单晶衬底及外延产品,为我国打造有国际竞争力的氧化镓产业链提供材料保障,实现我国氧化镓基器件全链路贯通。

图a-b 栅漏间距LGD=12 μm,栅极长度LG=1.5 μm时,氧化镓MOSFET的直流输出特性曲线和击穿曲线。

END.

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