導讀：
在上期內容中，我們介紹了氧化鎵幾種主流熔體法生長技術的基本原理。其中，CZ法（提拉法）、EFG法（導模法）以及VB法（垂直布里奇曼法），均已成功用于大尺寸β-Ga2O3單晶襯底的制備。
氧化鎵全景解讀 | 氧化鎵距離“超級功率器件”還有多遠？
從技術路線來看，三種方法各有側重：CZ法工藝成熟，是經典熔體法單晶生長技術的代表；VB法作為后起之秀，在大尺寸晶體制備和晶向靈活性方面展現出較強潛力；而EFG法則憑借形狀可控、生產效率較高以及器件驗證基礎充分等優勢，成為當前氧化鎵襯底商業化推進最快的技術路線之一。
本期推文將以“氧化鎵襯底商業化的先行路線”為主線，結合CZ、EFG和VB三種熔體法路線的發展現狀，重點分析EFG法在當前氧化鎵襯底商業化推進中的優勢與現實基礎。
襯底商業化，
難點不僅是“能長出來”
氧化鎵之所以受到功率半導體領域的廣泛關注，一個重要原因在于它可以通過熔體法制備塊體單晶。這一點使其在襯底成本和尺寸放大方面具備區別于GaN、SiC等材料的潛在優勢。
但從材料研究走向產業應用，僅是“能長出晶體”還遠遠不夠。
真正面向商業化的氧化鎵襯底，需要同時滿足多個條件：晶體尺寸要足夠大，片內均勻性要穩定；缺陷、孿晶和開裂要可控；導電型或半絕緣型襯底的電學參數要能夠穩定調節；同時，后續切割、研磨、拋光和外延工藝也要能夠順利銜接。
這意味著，襯底產業化并不是單一長晶能力的競爭，而是尺寸、質量、成本、良率和下游適配性的綜合競爭。
在這一背景下，CZ、EFG和VB三種路線代表了不同的工程思路。CZ法強調成熟的晶錠生長基礎，VB法關注大尺寸定向凝固潛力，而EFG法則憑借形狀可控、生產效率較高等特點，更直接地面向襯底制造需求。也正因如此，EFG法成為現階段氧化鎵襯底商業化推進中率先受到關注的重要路線。
CZ法：
成熟工藝背后的成本與放大壓力
CZ法是熔體法單晶生長中最成熟、應用最廣泛的技術之一。其基本過程是將籽晶與熔體接觸，通過旋轉和提拉，使晶體從熔體中逐漸生長出來。硅單晶產業的成熟發展，正是建立在CZ法長期工藝積累的基礎上。
對于β-Ga2O3而言，CZ法同樣具有重要價值。它能夠制備近圓柱形晶錠，便于后續加工成圓形晶圓，也適合開展不同晶向襯底制備、摻雜調控和高質量晶體生長等基礎研究。
然而，當CZ法應用于氧化鎵大尺寸商業化制備時，也會面臨較為突出的工程挑戰。
首先是高溫分解與坩堝損耗之間的矛盾。β-Ga2O3在高溫下容易發生熱分解，并產生Ga、Ga2O等揮發性組分。為了維持熔體穩定、抑制材料分解，生長過程中通常需要保持一定氧分壓。但較高氧分壓又會加劇Ir坩堝的氧化與揮發，導致貴金屬坩堝損耗增加，進而推高襯底成本。
對于CZ法而言，隨著晶體尺寸進一步放大，Ir坩堝成本、熔體穩定性和高溫熱暴露等問題通常會更加突出。晶體尺寸越大，所需熔體體積和坩堝尺寸往往越大，生長及保溫過程中的高溫持續時間也相應增加，從而對氧分壓控制、Ga2O3分解抑制以及Ir坩堝壽命提出更高要求。如圖 1所示，從1英寸向4英寸晶體放大過程中，Ga2O3熔體中液態Ga的含量與O2濃度密切相關。
圖1. 1-4 inch晶體生長時Ga2O3熔體中液態Ga的量與O2濃度的關系[1]
此外，對于功率器件用導電襯底而言，高載流子濃度有助于降低襯底電阻，不過，過高的摻雜水平也會帶來新的生長挑戰。隨著自由電子濃度升高，β-Ga2O3在近紅外區域的自由載流子吸收增強，原本依賴晶體輻射傳輸散出的結晶潛熱難以及時釋放，容易改變固液界面附近的溫度分布和界面形貌[2]。當界面穩定性下降時，晶體直徑控制和外形控制都會變得更加困難，嚴重時甚至可能誘發螺旋生長等形貌異常，如圖 2所示。
圖2. 高載流子濃度下晶體的螺旋生長[3]
因此，CZ法雖然擁有成熟的工藝基礎和較強的晶體質量控制能力，但在氧化鎵大尺寸、低成本、穩定量產方面，仍需要進一步解決坩堝損耗、氣氛控制、熱場穩定性和高摻雜生長穩定性等問題。
VB法：
大尺寸襯底制備的潛力路線
在氧化鎵襯底制備領域，VB法近年來也受到越來越多關注。與其余兩種生長方法相比，VB法的一個重要特點是可以采用Pt/Rh合金坩堝，并可在空氣或較高氧分壓環境下生長，較高氧分壓有助于抑制氧化鎵在高溫下的熱分解。因此VB法在化學計量比控制和晶體穩定生長方面具有一定優勢。
此外，VB法能夠獲得接近圓柱形的晶體，后續可以通過定向切割獲得不同晶向襯底。對于β-Ga2O3這種各向異性明顯的材料而言，這種晶向靈活性具有較大吸引力。公開報道中，VB法已實現 12英寸級β-Ga2O3單晶生長[4,5]，并在晶體質量提升方面展現出一定潛力。
不過，VB法作為后起路線，仍有一些問題需要進一步驗證。一方面，Pt/Rh合金坩堝可能帶來 Rh等金屬雜質引入。已有研究顯示，VB晶體中 Rh雜質可能達到數ppm至數十ppm量級[6]。對于功率器件而言，這類雜質是否會影響外延質量、器件漏電、擊穿穩定性和長期可靠性，還需要更多系統測試。另一方面，相比已經較廣泛用于同質外延和器件開發的EFG襯底，VB襯底在下游器件端的驗證積累仍相對有限。其批次穩定性、外延適配性和長期可靠性，還需要通過更多外延和器件結果來進一步證明。
表1. VB法晶體雜質含量分析[6]
從商業化進程看，
EFG法為何更具先發優勢
從商業化角度看，一種襯底生長路線能否率先走向應用，并不只取決于某一項性能是否最優，更取決于它能否持續提供穩定、可驗證、可迭代的材料平臺。
從生長端就面向襯底的工藝思路，使EFG法天然更貼近商業化供應邏輯。一方面，相較于CZ等大熔體體積路線，EFG法可通過較低氧含量生長環境，降低Ir坩堝用量、損耗和折舊壓力，從而進一步改善單位襯底成本。另一方面，形狀和尺寸的可設計性便于建立標準化的晶片制備流程。對于仍處于產業導入階段的β-Ga2O3而言，能夠較快獲得穩定規格、可評價、可交付的襯底產品，往往比單純追求更大的晶錠尺寸更具現實意義。這也是EFG法能夠率先進入氧化鎵襯底商業化供應視野的重要原因之一。
也正是基于這種與襯底制造需求的高度匹配，EFG法較進入了“材料供應—外延生長—器件驗證”的產業循環。對于一種新型半導體材料而言，襯底只有被下游反復使用、驗證和反饋，才能真正推動工藝成熟。EFG襯底較早實現市場供應，使外延和器件團隊能夠在相對穩定的材料基礎上開展結構設計、工藝優化和可靠性評估。
目前，許多氧化鎵同質外延和器件研究均基于EFG襯底展開，包括肖特基二極管、場效應晶體管以及日盲紫外探測器等方向。隨著相關研究不斷積累，EFG襯底在材料端、外延端和器件端之間逐漸形成了較完整的驗證閉環。這種驗證基礎本身就是商業化早期的重要優勢：它不僅說明材料可以供應，更說明材料能夠被下游工藝持續使用。
目前，氧化鎵EFG襯底已從2 英寸、4 英寸逐步向6 英寸乃至8 英寸方向推進。然而，尺寸放大并不只是幾何尺度的提升，更是對晶體質量控制、片內均勻性和外延適配能力的綜合考驗。對于產業化而言，能否在更大尺寸上持續獲得穩定、可評價、可交付的高質量襯底，才是決定 EFG 路線進一步走向規模化應用的關鍵。
圖3. 2–4英寸高質量氧化鎵單晶襯底
目前，鎵和半導體已采用EFG法實現2–4英寸高質量氧化鎵單晶襯底的穩定制備，并具備持續、穩定的襯底出貨能力。如圖 3所示，所制備襯底外觀完整、尺寸穩定。圖 4為2英寸(001)主面β-Ga2O3襯底的側視偏光顯微鏡圖像。可以看到，襯底主體區域未觀察到明顯孿晶缺陷，晶體質量良好。進一步通過XRD搖擺曲線九點測試，結果顯示襯底半高全寬(FWHM)均小于50 arcsec，表明其具有較高的結晶完整性和良好的片內一致性。
圖4. 2英寸(001)主面β-Ga2O3襯底的側視偏光顯微鏡圖像
圖5. XRD搖擺曲線9點測試結果
此外，經原子力顯微鏡(AFM)表征，9點位的襯底表面粗糙度(RMS)均低于0.2 nm，如圖 6所示，展現出原子級平整的表面形貌。良好的晶體質量與表面狀態，為后續高質量同質外延生長提供了可靠襯底基礎，也為氧化鎵基功率電子器件和紫外光電器件的進一步開發提供了重要支撐。
圖6. AFM9點測試結果
本期總結
總體來看，CZ法具有成熟的晶體生長基礎，在高質量晶體制備和基礎研究中仍具有重要價值，但其在氧化鎵大尺寸生長中面臨Ir坩堝損耗和高摻雜生長穩定性等挑戰，限制了其低成本規模化應用。VB法作為近年來快速發展的潛力路線，在大尺寸晶體制備方面展現出較大空間，但其雜質控制、外延適配性和器件端長期可靠性仍需進一步驗證。
相比之下，EFG法更早地與商業化襯底制備需求形成了匹配，又已經積累了較為充分的市場供應、外延生長和器件驗證基礎，因此成為現階段氧化鎵襯底商業化推進中的重要先行路線。EFG法率先讓氧化鎵材料進入了從襯底供應到外延生長、再到器件驗證的產業循環。隨著這一循環不斷完善，氧化鎵后續的工藝優化、性能提升和應用拓展也將擁有更穩定的材料平臺。
隨著大尺寸襯底供應能力不斷提升，氧化鎵產業化的競爭重點將逐步從“能否制備單晶”轉向“能否穩定、低成本、高質量地供應可用于器件制造的襯底”。在這一過程中，EFG法仍將是推動氧化鎵襯底商業化進程的重要路線之一。
參考文獻：
[1] Galazka Z, Uecker R, Klimm D, Irmscher K, Naumann M, Pietsch M, Kwasniewski A, Bertram R, Ganschow S, Bickermann M, ECS J. Solid State Sci. Technol. 6, Q3007 (2017)
[2] Galazka Z. Growth of bulk β-Ga?O? single crystals by the Czochralski method. Journal of Applied Physics, 2022, 131: 031103.
[3] Galazka Z, Irmscher K, Uecker R, Bertram R, Pietsch M, Kwasniewski A, Naumann M, Schulz T, Schewski R, Klimm D, Bickermann M, J. Cryst. Growth 404, 184 (2014)
[4]https://www.novelcrystal.co.jp/eng/ga2o3-substrate/
[5]https://fujia-hiom.com/fjdt/info/2026/95861.html
[6] Higashiwaki M, Fujita S, eds. Gallium Oxide: Materials Properties, Crystal Growth, and Devices. Vol. 293. Springer Nature, 2020.
來源：鎵和半導體
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