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摘 要：日本的研究小組開發出一種不使用貴金屬制坩堝的新型晶體生長方法（冷坩堝氧化物晶體生長方法），并成功制備出有望作為下一代功率半導體的氧化鎵晶體（最大直徑約5cm）。在現有的晶體生長方法中，由于盛放熔體的坩堝使用貴金屬銥（坩堝材料：約1.5萬日元（約767.85元）/g，2022年2月市場價格），因此存在以下問題：①難以降低晶體的成本；②因制備方法導致氧缺陷產生。本次開發中，基于無坩堝晶體生長方法的凝殼熔煉法，通過株式會社C&A自主研發的設備，成功在不使用貴金屬制坩堝的情況下制備出高品質的氧化鎵晶體。利用該成果，能夠以低成本制備出氧化鎵襯底，并有望為低損耗氧化鎵功率半導體的實現作出巨大貢獻。
關鍵字：新型晶體生長方法、氧化鎵晶體、下一代功率半導體、低成本、冷坩堝氧化物晶體生長方法
為了實現碳中和，需要降低家電、電動汽車、工業機械、可再生能源發電設備等中進行電力轉換的功率器件的能源消耗量。目前，使用硅的功率器件為主流，但其能量轉換損耗較大，因此日本正在加速開發能夠降低這種損耗的材料。
氧化鎵具有優異的材料性質，其節能效果約為硅（Si）的3400倍，約為碳化硅（SiC）的10倍。此外，氧化鎵與Si一樣，適用熔體生長法，因此生長速度快，可以一次制備出大量晶體。熔體生長法是通過熔化原料，從熔體中凝固形成晶體的方法，生長速度比已經實用化的SiC快大約10～100倍，因此有望獲得極低成本的襯底。
然而，目前的晶體制備方法中使用的盛放熔體的坩堝是由非常昂貴的貴金屬銥制成的，因此難以降低晶體成本。此外，銥會從坩堝中溶入氧化鎵熔體中，導致生長的晶體受到金屬污染。并且，由于為了防止銥坩堝的氧化，必須在低氧分壓下生長晶體，因此還存在氧缺陷等問題。
針對以上問題，如圖1所示，研究小組開發出一種不使用坩堝的新型晶體生長裝置和晶體生長技術（OCCC法）。該方法是將氧化鎵原料裝入有空隙的框體中，通過高頻線圈產生磁場，直接加熱氧化鎵原料。這種加熱方法類似于通過微波直接加熱食物的微波爐。
然后，通過進一步提高高頻磁場的輸出，氧化鎵原料熔化。此時，在原料熔體與水冷框體之間形成適于燒結的溫度區域，原料在此區域凝固，并取代盛放熔體的坩堝。這樣，通過高頻加熱僅熔化原料的中心部分，同時適當冷卻周邊部分，就可以實現穩定的生長狀態。
在該狀態下，通過使晶種與熔體接觸并使晶體生長，從而制備出大直徑的氧化鎵晶錠。在具有良好導電性的金屬材料等領域，該方法已經被廣泛用作凝殼熔煉法，但其在用于加熱低導電性氧化物材料（例如氧化鎵）時，需要利用一種能夠穩定產生極高頻率磁場的裝置。
研究小組通過使用株式會社C&A自主研發的高頻加熱裝置作為熱源，并結合在硅、砷化鎵、鉭酸鋰、YAG、LYSO等材料方面具有量產實績的提拉法，成功生長出下一代寬禁帶半導體材料——塊狀氧化鎵單晶。
圖1 開發的新生長方法：冷坩堝氧化物晶體生長（OCCC）法
圖2示出通過本次開發的裝置制備的氧化鎵單晶。可以獲得最大約5cm的晶體尺寸，這是世界上首個不使用坩堝的晶體生長方法的成果。而且，通過這種方法制備的晶體不會受到來自坩堝的金屬污染，因此晶體質量非常高。由于氧化鎵襯底中的雜質和晶體缺陷會導致功率器件的初始特性和可靠性降低，因此通過減少這些雜質和晶體缺陷，有望實現高性能器件。
圖2：制備的氧化鎵單晶
基于此次的成果，研究小組計劃生產直徑為2英寸的氧化鎵襯底，并由株式會社C&A銷售。此外，研究小組還計劃通過優化晶體生長條件，實現具有更少晶體缺陷的襯底并進一步擴大晶體尺寸。為了將氧化鎵用于功率器件投入實際使用，需要在本次使用的襯底的基礎上外延生長漂移層并制作電極等器件。對此，研究小組的目標是通過與日本國內外的研究機構和設備制備商建立密切的合作關系，為實現低損耗功率器件的實用化作出貢獻。
翻譯：王寧愿
審校：賈陸葉
李 涵
統稿：李淑珊
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