镓仁半导体实现晶圆级6英寸斜切氧化镓衬底制备

2025年2月，杭州镓仁半导体有限公司(以下简称“镓仁半导体”)在氧化镓晶体生长与加工技术方面取得了新突破，成功实现6英寸斜切氧化镓衬底的制备，其中衬底主面为(100)面沿 [00-1] 方向斜切4°。


 
图1 镓仁半导体6英寸斜切氧化镓衬底
 
表征结果显示：衬底质量方面，衬底XRD半高宽<90 arcsec，质量已达到国际领先水平；衬底表面形貌方面，形成了明显的台阶面，有利于进行台阶流外延生长；衬底面型参数方面，翘曲度(warp)为14.7 μm，弯曲度(Bow)为5.7 μm，总厚度偏差(TTV)为5.7 μm，面型参数已达到晶圆级标准，与同等尺寸碳化硅衬底产品水平相当。

 
图3 XRD数据

 
图3表面粗糙度
 

 
图4面型参数测试结果
 
**氧化镓衬底做斜切的意义**
(100)正切氧化镓衬底上外延薄膜往往以岛状生长模式为主，在岛状结构中含有失配位错以释放应变，岛和岛之间存在小角度取向偏差，彼此汇聚后会产生高位错密度的边界层，同时还会导致外延层表面粗糙度增大，因此外延生长时要避免岛状生长模式。
而(100)斜切衬底表面会形成台阶面，外延生长时原子倾向于吸附在台阶边缘进行生长，可以使外延薄膜的生长模式转变为台阶流生长，能够避免晶格缺陷的形成，同时由于台阶流生长的特性，台阶流外延生长表面与衬底几乎无区别，依然保持较低的粗糙度。
此外，基于研发团队此前的研究结果，沿[00-1]会方向斜切暴露出 (-201) 的台阶面，还能抑制孪晶缺陷的形成【超链接，严宇超孪晶论文新闻】。
德国莱布尼茨研究所在4°斜切的(100)氧化镓衬底上成功实现了垂直FinFET器件的制备，平均击穿场强达到2.7 MV/cm。（Kornelius Tetzner et al 2023 Jpn. J. Appl. Phys. 62 SF1010）。目前，镓仁半导体已与德国莱布尼茨晶体生长研究所的孵化企业NextGO Epi 签署全球战略合作协议，双方将依托技术优势协同攻关，聚焦超宽禁带半导体材料氧化镓的研发与产业化发展，为全球半导体产业注入新动能。
 
**氧化镓衬底做斜切的难点**
氧化镓衬底做斜切具有显著优势，但要想实现产业化大规模应用，就需要制备出大尺寸斜切衬底。而与小尺寸斜切衬底相比，制备大尺寸斜切衬底的难度呈几何倍数上升，主要难点体现在以下两个方面：
（1）大尺寸厚晶锭的制备
由于氧化镓单晶生长存在强各向异性，晶锭主面通常限定在少数几个低指数晶面中，而(100)晶面由于表面能低，是主面形成最稳定、成本最低的晶面，在产业化方面具有天然优势。但是，若要制备斜切衬底，尤其是大尺寸斜切衬底，就对晶锭的直径与厚度均提出了严苛的要求。以6英寸斜切衬底为例，制作一片6英寸斜切衬底，要求氧化镓晶锭直径至少达到6英寸的同时，厚度也必须达到11.5mm以上。因此，制备大尺寸厚晶锭，是制作斜切衬底所面临的第一个难点。
（2）大尺寸衬底的解理开裂与面型参数差
氧化镓衬底存在(100)与(001)两个解理面，在加工过程中极易产生解理开裂；同时，衬底尺寸越大往往也越难以保持平整，衬底的翘曲、弯曲、厚度偏差等面型参数就越难控制。

 
图5 示意图：不同角度斜切对晶锭厚度的需求
 
针对以上难点，镓仁半导体研发团队进行了成体系地研发攻关。
在晶体生长方面，团队对铸造法进行热场升级与工艺优化，成功制备出了6英寸厚晶锭，晶锭厚度达20mm以上【超链接，6寸厚锭新闻】。在衬底加工方面，团队结合设备改造，对加工工艺进行了全面优化，成功制备了高质量6英寸斜切衬底，衬底面型参数达到晶圆级标准。
 
 
**公司简介**
杭州镓仁半导体有限公司成立于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。公司开创了氧化镓单晶生长新技术，拥有国际、国内发明专利十余项，突破了西方国家在氧化镓衬底材料上的垄断和封锁。镓仁半导体立足于解决国家重大需求，将深耕于氧化镓上游产业链的持续创新，努力为我国的电力电子等产业的发展提供产品保障。

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