2025年2月，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司(以下簡(jiǎn)稱“鎵仁半導(dǎo)體”)在氧化鎵晶體生長(zhǎng)與加工技術(shù)方面取得了新突破，成功實(shí)現(xiàn)6英寸斜切氧化鎵襯底的制備，其中襯底主面為(100)面沿 [00-1] 方向斜切4°。

圖1 鎵仁半導(dǎo)體6英寸斜切氧化鎵襯底 

表征結(jié)果顯示：襯底質(zhì)量方面，襯底XRD半高寬<90 arcsec，質(zhì)量已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；襯底表面形貌方面，形成了明顯的臺(tái)階面，有利于進(jìn)行臺(tái)階流外延生長(zhǎng)；襯底面型參數(shù)方面，翹曲度(warp)為14.7 μm，彎曲度(Bow)為5.7 μm，總厚度偏差(TTV)為5.7 μm，面型參數(shù)已達(dá)到晶圓級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，與同等尺寸碳化硅襯底產(chǎn)品水平相當(dāng)。

圖2 鎵仁6英寸斜切氧化鎵襯底XRD數(shù)據(jù)

圖3 鎵仁6英寸斜切氧化鎵襯底表面粗糙度

圖4 鎵仁6英寸斜切氧化鎵襯底面型參數(shù)測(cè)試結(jié)果 

氧化鎵斜切襯底的意義

(100)正切氧化鎵襯底上外延薄膜往往以島狀生長(zhǎng)模式為主，在島狀結(jié)構(gòu)中含有失配位錯(cuò)以釋放應(yīng)變，島和島之間存在小角度取向偏差，彼此匯聚后會(huì)產(chǎn)生高位錯(cuò)密度的邊界層，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致外延層表面粗糙度增大，因此外延生長(zhǎng)時(shí)要避免島狀生長(zhǎng)模式。

而(100)斜切襯底表面會(huì)形成臺(tái)階面，外延生長(zhǎng)時(shí)原子傾向于吸附在臺(tái)階邊緣進(jìn)行生長(zhǎng)，可以使外延薄膜的生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕_(tái)階流生長(zhǎng)，能夠避免晶格缺陷的形成，同時(shí)由于臺(tái)階流生長(zhǎng)的特性，臺(tái)階流外延生長(zhǎng)表面與襯底幾乎無區(qū)別，依然保持較低的粗糙度。

此外，基于研發(fā)團(tuán)隊(duì)此前的研究結(jié)果，沿[00-1]方向斜切會(huì)暴露出 (-201) 的臺(tái)階面，還能抑制孿晶缺陷的形成。

根據(jù)德國(guó)萊布尼茨研究所的報(bào)導(dǎo)，研究人員在4°斜切的(100)氧化鎵襯底上成功實(shí)現(xiàn)了垂直FinFET器件的制備，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到2.7 MV/cm。（Kornelius Tetzner et al 2023 Jpn. J. Appl. Phys. 62 SF1010）。目前，鎵仁半導(dǎo)體已與德國(guó)萊布尼茨晶體生長(zhǎng)研究所的孵化企業(yè)NextGO Epi 簽署全球戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將依托技術(shù)優(yōu)勢(shì)協(xié)同攻關(guān)，聚焦超寬禁帶半導(dǎo)體材料氧化鎵的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)注入新動(dòng)能。

氧化鎵斜切襯底的難點(diǎn)

氧化鎵襯底做斜切具有顯著優(yōu)勢(shì)，但要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用，就需要制備出大尺寸斜切襯底。而與小尺寸斜切襯底相比，制備大尺寸斜切襯底的難度呈幾何倍數(shù)上升，主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）大尺寸厚晶錠的制備

由于氧化鎵單晶生長(zhǎng)存在強(qiáng)各向異性，晶錠主面通常限定在少數(shù)幾個(gè)低指數(shù)晶面中，而(100)晶面由于表面能低，是主面形成最穩(wěn)定、成本最低的晶面，在產(chǎn)業(yè)化方面具有天然優(yōu)勢(shì)。但是，若要制備斜切襯底，尤其是大尺寸斜切襯底，就對(duì)晶錠的直徑與厚度均提出了嚴(yán)苛的要求。以6英寸斜切襯底為例，制作一片6英寸斜切襯底，要求氧化鎵晶錠直徑至少達(dá)到6英寸的同時(shí)，厚度也必須達(dá)到11.5mm以上。因此，制備大尺寸厚晶錠，是制作斜切襯底所面臨的第一個(gè)難點(diǎn)。

（2）大尺寸襯底的解理開裂與面型參數(shù)差

氧化鎵襯底存在(100)與(001)兩個(gè)解理面，在加工過程中極易產(chǎn)生解理開裂；同時(shí)，襯底尺寸越大往往也越難以保持平整，襯底的翹曲、彎曲、厚度偏差等面型參數(shù)就越難控制。

圖5 示意圖：不同角度斜切對(duì)晶錠厚度的需求

針對(duì)以上難點(diǎn)，鎵仁半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了成體系地研發(fā)攻關(guān)。

在晶體生長(zhǎng)方面，團(tuán)隊(duì)對(duì)鑄造法進(jìn)行熱場(chǎng)升級(jí)與工藝優(yōu)化，成功制備出了6英寸厚晶錠，晶錠厚度達(dá)20mm以上。在襯底加工方面，團(tuán)隊(duì)結(jié)合設(shè)備改造，對(duì)加工工藝進(jìn)行了全面優(yōu)化，成功制備了高質(zhì)量6英寸斜切襯底，襯底面型參數(shù)達(dá)到晶圓級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

公司簡(jiǎn)介

鎵仁半導(dǎo)體成立于2022年9月，是一家專注于氧化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料及設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的科技型企業(yè)。

鎵仁半導(dǎo)體引領(lǐng)行業(yè)創(chuàng)新，采用自主研發(fā)的鑄造法單晶生長(zhǎng)新技術(shù)，全球首發(fā)8英寸氧化鎵單晶襯底，創(chuàng)造了從2英寸到8英寸，每年升級(jí)一個(gè)尺寸的行業(yè)紀(jì)錄；開發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)包含工藝包的氧化鎵專用VB長(zhǎng)晶設(shè)備，全面對(duì)外銷售；聯(lián)合浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)深耕氧化鎵科研領(lǐng)域，在氧化鎵單晶生長(zhǎng)、檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)估等方向上均取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破。鎵仁半導(dǎo)體立足于解決國(guó)家重大需求，已掌握氧化鎵生長(zhǎng)、加工、外延等全鏈條的核心技術(shù)，獲得14項(xiàng)國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)明專利，深耕于氧化鎵上游產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新。

公司產(chǎn)品包括不同尺寸、晶向和電阻率的氧化鎵襯底，可定制的氧化鎵籽晶等。產(chǎn)品主要應(yīng)用于面向國(guó)家電網(wǎng)、新能源汽車、軌道交通、5G通信等領(lǐng)域的電力電子器件。經(jīng)過多年的攻關(guān)，公司已掌握從設(shè)備開發(fā)、熱場(chǎng)設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)、晶體加工等全鏈條的核心技術(shù)，可提供完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氧化鎵襯底。鎵仁半導(dǎo)體立足于解決國(guó)家重大需求，將深耕于氧化鎵上游產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新，努力為我國(guó)的電力電子等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供產(chǎn)品保障。

（來源：鎵仁半導(dǎo)體）