全球首次采用垂直布里奇曼法（VB）成功制备6英寸β型氧化镓单晶
2023/12/26 9:39:24 材料来源：亚洲氧化镓联盟
全球首次采用垂直布里奇曼法（VB）成功制备6英寸β型氧化镓单晶
―为β型氧化镓基板的大口径、高品质做出贡献―
Novel晶体科技有限公司在全球首次采用垂直布里奇曼（VB）法成功制备出6英寸β型氧化镓（β-Ga2O3）单晶。有了这个结果，我们可以期待在实现更大直径和更高质量的 β-Ga2O3 衬底方面迈出一大步。如果β-Ga2O3功率器件得到广泛应用，太阳能发电用功率调节器、通用工业逆变器、电源和其他电力电子设备将变得更加高效和紧凑。最终用于汽车和工业的电气化，将有助于EV及飞行汽车等事物中电能的高效利用。
概 述
近年来，碳化硅（SiC）*1和氮化镓（GaN）*2作为超越硅（Si）功率器件性能的材料而受到关注。β型氧化镓（β-Ga2O3）*3比这两种材料具有更大的带隙能量*4，因此具有实现更高性能功率器件的潜力，并且与硅（Si）一样，是一种可以用“熔液生长法”这种低成本制造高质量的单晶衬底�；谡庑┨匦裕绻�β-Ga2O3功率器件*5投入实际应用，将有助于家电、电动汽车、铁路车辆、工业设备、太阳能发电、风力发电等电力电子设备损耗更低。由于可以降低成本，因此国内外企业和研究机构正在不断开发。此外，为了降低β-Ga2O3功率器件的成本并使其广泛应用于社会，必须增大β-Ga2O3衬底的直径，并且强烈渴望更大的单晶。
Novel晶体科技有限公司主要开发采用EFG（Edge-defined Film-fed Growth）方法的单晶制造技术，目前正在制造和销售2英寸和100毫米的基板用于研发。为了实现更大直径和更高质量的基板，我们在 JST 研究成果优化部署支持计划 (A-STEP)*6下，一直致力于使用 VB 方法开发 6 英寸 β-Ga2O3 基板。VB法生长β-Ga2O3单晶技术由信州大学发明并开发，目前已成功生产2英寸和4英寸单晶。Novel晶体科技有限公司继承了信州大学的这项培养技术，并不断开发更大的直径。因此，我们最近推出了VB法6英寸晶体生长装置，并成功生产了世界上第一颗VB法6英寸单晶。此外，负责晶体评价和分析的日本产业技术综合研究所，利用X射线形貌法对使用EFG法和VB法制造的单晶获得的基板进行了评价和比较。结果，他们发现，在VB生产的晶体中，EFG法中观察到的高密度线状缺陷得到了显著抑制，并且VB生产的晶体在质量方面更加优越。
本次的结果
[1] VB法制备6英寸单晶
图1(a)显示了Novel晶体科技有限公司目前用于晶体生产的EFG方法的概述。EFG法是生长方法中的一种，是一种可以轻松实现高生长率的生长方法。但所得晶体为板状，圆形衬底不好加工，在加工过程中产生不必要的浪费，增加成本，而且由于β-Ga2O3晶体具有很强的各向异性，对它的加工有很大的限制。同时提拉方向，限制了可以获得的基板的表面取向。图 1 (b) 显示了目前正在开发的 VB 方法的概述。VB法是将盛有原料的坩埚存放在具有温度梯度的炉中，原料熔化后，将坩埚下拉使其凝固的生长方法。这样可以获得与坩埚形状相同的晶体，因此如果使用圆柱形坩埚，则可以获得圆柱形晶体，这大大减少了基板加工过程中不必要的浪费，从而可以降低成本。此外，与使用提拉法的生长方法不同，该生长方法在坩埚中使熔体凝固，因此不易受到晶体各向异性对生长平面的约束，并且可以产生多种衬底平面取向，有望解决EFG方法的问题。另外，与提拉法相比，可以在温度梯度较小的环境中生长，这使得可以获得更高质量的晶体，并且由于可以获得垂直于晶体生长方向的衬底，因此另一个特点是可以在温度梯度较小的环境中生长晶体，从而有望提高面内浓度均匀性。
图2 显示了使用新构建的VB法6英寸晶体生长装置获得的晶体的外观。从晶种到最终凝固部分都是透明的，表明都是单晶。另外，等径部(最宽部)的直径为6英寸以上，得到可用于形成6英寸基板的晶体。此外，我们发现我们能够生长继承籽晶取向的单晶。
（a）整体外观 （b）种子晶体侧外观 （c）最终固化部分侧外观
[2] 使用 X 射线形貌法评估EFG方法和VB方法基板质量
为了比较使用EFG法和VB法生长的晶体的质量，我们使用X射线形貌法（晶体缺陷评估方法之一）评估晶体质量。图 3 显示了使用 EFG方法和VB方法制造的基板的 X 射线形貌方法观察到的图像。如图3(a)所示，可以看出，使用EFG方法制造的基板上出现高密度的线性缺陷。另一方面，可以看出，通过图3(b)所示的VB方法制造的基板几乎没有出现线状缺陷。但是，使用 VB 方法制造的基板表面上的网状外观被认为是位错网络。尽管在使用EFG方法制造的基板的表面上没有观察到网状对比度，但由于线性缺陷引起的大应变场，因此很难看到。从以上观察结果发现，与使用EFG方法制造的基板相比，使用VB方法制造的基板的晶体质量得到改善。
（a）使用EFG法制备的基板 （b）使用VB法制备的基板
未来计划
今后，我们将继续开发利用VB法的高品质单晶生长技术，并致力于开发利用VB法特征的生长面取向的灵活性的基板。
Novel晶体科技有限公司将继续致力于通过开发采用熔融生长法的β-Ga2O3块状单晶生长技术，普及β-Ga2O3功率器件，实现可持续的节能社会。
致 谢
这项研究得到了日本科学技术振兴机构研究成果部署项目下支持研究成果优化部署的 A-STEP 企业主导（配套基金类型）计划的支持。
[注释]
*1 碳化硅（SiC）
它是硅和碳的化合物，是宽禁带半导体之一。
*2 氮化镓（GaN）
它是镓和氮的化合物，是一种宽带隙半导体。
*3 β型氧化镓（β-Ga2O3）
它是镓和氧的化合物，是宽带隙半导体之一。
*4 带隙能量
在晶体的能带结构中，导带最低能级和价带最高能级之间的能态，其中不能存在电子。
*5 电源装置
可以控制高电压和大电流的半导体元件，用于逆变器等电力转换设备。
*6 JST 研究成果最佳部署支持计划 (A-STEP)
概述：https://www.jst.go.jp/a-step/outline/index.html
图1. （a）EFG法概要 （b）VB法概要
图2. 使用VB法制备的6英寸单晶
图3. X射线摄影法观察图像
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