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氧化镓，是超宽禁带半导体的代表材料之一，而今也被划分为第四代半导体材料，近年来，国际国内的科学研究和产业化发展愈演愈热，愈发展愈深入，作为铭镓半导体的核心材料，2022年，美国波士顿咨询结论性的将铭镓列为中国氧化镓产业的先行者，铭镓团队经历了近10年的研究和产业化工作，在氧化镓行业即将迎来高速攀升的节点，将我们的发展历程以文字的方式讲述，以期对行业的推动尽绵薄之力。
氧化镓的原材料（氧化镓粉末）属于铝矿的伴生，特别是中国的铝矿富含镓元素，原材料价格低廉可控。
氧化镓晶体由熔体法制备而成，毫米/小时的快速的生长效率决定氧化镓在设备折旧、电力损耗、人力成本等具备很大的优势；
氧化镓的莫氏硬度在6左右，属于软硬半导体材料，其在切割、研磨、抛光、清洗等过程的损耗成本、时间成本、人力成本也具备较大的优势；
氧化镓可延续硅基芯片产线，无需太过复杂的高温离子注入、栅氧工艺流程，划片也具备优势。
高压/超高压领域市场特点是使用场景十分具象，价格低敏感。氧化镓凭借其4.9eV超宽禁带宽度，单位击穿场强达8MV/cm，巴氏指数高达3400，是目前超宽禁带半导体材料唯一实现4-6英吋指标且初步器件验证的材料。
因而，氧化镓功率器件有望在白色家电PFC、新能源车电驱电控、光伏/风电逆变器、工业电源领域、轨道交通、超高压供电等领域发挥重要作用。
氧化镓相较于宽禁带半导体材料和同为超宽禁带的金刚石材料具备明显的成本优势，加之氧化镓拥有更低的导通损耗和更高的功率转换效率等性能，决定其在中低压领域的可观性价比和高压领域的卓越性能优势。
氧化镓晶体具有5种同分异构体，即：α、β、γ、ε和δ，其中β相氧化镓为稳态结构，可以制备人工晶体，其他为亚稳态结构，可以通过外延的方式制备材料，因而在氧化镓材料产业的区分上分为两个方向。
以日本NCT、中国铭镓半导体、富加镓业、镓仁半导体，美国Kyma为代表；
以日本FLOSFIA为代表专注于α相亚稳态异质外延薄膜。
由于异质外延薄膜的缺陷较多，实际影响后端器件的性能指标，因而β相氧化镓制备的功率器件可更大程度发挥材料的性能优势。
氧化镓晶体为单斜晶体，常用的晶相包括：（100）（-201）（010）（001）等，根据不同的应用选择不同的使用方向，科研和产业验证（010）（001）是两种最适用于功率半导体器件的氧化镓晶相。
1、（100）相
铭镓团队对于氧化镓材料的科研和产业探索始于2017年，最初，我们便尝试铱金导模法制备氧化镓（100）晶相的氧化镓晶体，2017-2019年，三年间，我们通过导模法实现了4英吋，厚度为5mm氧化镓晶坯的成功制备。
而氧化镓主要的应用优势在功率半导体器件而非紫外光电器件，经过加工衬底后提供客户试用反馈，（100）晶相制备紫外探测器等光电方向尚可，难以应用于功率半导体器件的制备，而（100）晶相即便做到再大尺寸也无市场产业价值。
铭镓半导体转向适用于二极管的（001）和适用于场效应晶体管的（010）的氧化镓晶相，尽管看似只是晶相的变化，难度却不可同日而语。
经过两年的研发探索，我们将热场、模具、坩埚、加热等做了近乎全方位的调整，终于在2021年8月份实现了（001）2英吋晶圆的成功制备。
2022年铭镓成功制备高质量4英寸（001）相氧化镓晶体。
今年12月，铭镓通过新工艺首次成功制备了4英吋（010）氧化镓晶坯，生长厚度达55mm，为进一步扩大侧切晶体尺寸奠定基础。（详见下文“工艺选择”章节）
6月，我们与战略合作伙伴共同完成了国内首次器件小批量流片验证，验证铭镓的材料可以良好适用于功率半导体器件。
人工晶体制备的工艺多种多样，对工艺的选择旨在解决三个重要的问题：
如何降低成本，增加成品率；
如何制备晶体尺寸更大、纯度更好、缺陷更低；
如何满足器件需求、制备更有应用前景的晶型材料；
结合不同材料的特点选择不同的制备工艺，包括坩埚、保温材料、加热方式、特种气体等等的遴选。
由于氧化镓的镓元素具有很强的热挥发性，导模法可以有效抑制挥发对晶体生长过程中籽晶接种和晶体生长过程等影响；
氧化镓粉末的融化温度在1850℃以上，铂金、石英等坩埚不适合其温度点，而镓与钨钼等坩埚又会发生化学反应，因而最初氧化镓的验证便将铱金坩埚作为优选容具，而客观事实也证明，目前经过产业验证的只有铱金坩埚导模法。
制备然而由于铱金价格的不断提升，由2017年每公斤17万元人民币，涨至2024年每公斤113万元人民币，传统导模法由于模具的限制，厚度往往在10mm左右。
由于导模法依然是唯一经过市场验证的成熟的氧化镓晶体制备工艺，如何以导模法作为基础，增加晶坯厚度和尺寸，同时探索新的工艺方案成为氧化镓从业者一直在探究的方向。
广泛应用于氧化锆晶体材料的制备，其原理是利用烧结的方式，将氧化镓粉末首先制备成陶瓷状块料，然后利用超高频电源加热内部融化，通过籽晶引晶将融化部位提拉结晶，这样避免使用铱金坩埚。
以日本东北大学C&A为代表，国内企业所谓无铱坩埚法，铭镓半导体也同步进行了研发验证。
我们搭建了一台大型冷坩埚晶体生长设备，经验证氧化镓粉末可以融化，同时制备了2mm左右厚度的晶体。（下图为熔体照片）
但由于氧化镓属于超宽禁带半导体材料，其熔体一旦成核结晶便几近绝缘状态，阻碍后续引晶、放肩。
因而如何制造精密化坩埚下降装置避免熔体结晶，成为该方法下一步探索的重点。该方案的具体产业化可行性还需进一步加大研发验证。
制备砷化镓和磷化铟单晶常用的产生化成熟工艺，目前也在氧化镓晶体生长上得以尝试，比如：日本NCT、信州大学利用VB法制备氧化镓4英吋晶体（如图）
铭镓半导体利用本身具备的VGF工艺基础，也进行了尝试。
该方法坩埚材料的选择需要同时满足：
制备完成后晶体与薄坩埚剥离方便；
氧化镓熔点温度下保持坩埚形状与抗氧化。
铱金由于其强度不适合使用，最佳选择是铂铑、铱铑合金坩埚，选择合适的调配比例较为关键。
铭镓半导体VB/VGF生长氧化镓的研发方案已经过多次验证，实现了坩埚的稳定使用，但通过该方案实现稳定成晶和稳定成品率还需要培育周期。
当铸造熔体冷却到一定温度时，其中的金属原子或离子开始聚集成晶体核，并以一定的方式和速度向外生长。早期用于硅基材料制备。
该方法未选择使用籽晶引导生长。
有过晶体研发经验的工程师会发现，当提拉法或者导模法出现籽晶融断或者生长停止的情况时，在坩埚底部存量的晶体形态是多晶与单晶的杂糅。
以此类推，铸造法首要需要解决的问题是可重复性，抑制多晶的生长。
目前常用的办法是将坩埚底部切掉，通过线切割的方式将晶体取出。
昂贵的铱金坩埚成为了一次性生长容具，每次都要回融重铸，损耗很高，性价比面临很大的挑战。
该晶体大面为（100）晶相，而考虑热场梯度，整体坩埚高度不宜过高，晶坯整体厚度目前最大值在25mm左右。
厚度决定了（001）和（010）晶相的尺寸，无论长或宽必然有一个值≤25mm，无法提供功率半导体适用的材料。
2023年，铭镓结合自身在掺杂氧化铝晶体的制备工艺的优势基础，利用铂铑合金坩埚，通过水平-垂直熔体温度梯度法，采用氧化镓自发结晶晶核优势生长排除杂晶的方式来替代VB法晶种接种，降低了接种难度。
2024年12月，铭镓通过该工艺全球首次成功制备了4英吋（010）氧化镓晶坯，生长厚度达55mm，加工后可用尺寸为3英寸，厚度高达40mm，为进一步扩大侧切晶体尺寸奠定基础。
图3 XRD扫描图谱显示FWHM为47.88 arcsec；
图4 晶体经研磨抛光后的表面平均粗糙度约为0.65 nm
尽管氧化镓各类工艺层出不穷，然而氧化镓的材料生长工艺目前最为成熟且经过市场论证的仍然是铱金坩埚导模法，其依然为主流方案，需要进一步降低成本、增加成品率的方向有两个：
1、延长补铱周期
应对铱金价格的异常上涨，选择合适的替换材料或增加铱金坩埚的单次回融的使用寿命，降低单炉损耗，比如从30炉/批次增至50炉/批次；
增加晶丕厚度从而增加单炉次产品的数量，铭镓已经全球率先实现35-40mm厚度的导模法晶坯生长。
通过特殊的模具设计，生长≥40mm厚度的晶坯已经成为可能，并成为铭镓的研发重点。
新工艺无论是VB方案还是VHGF,无论是无铱坩埚工艺还是铂铑、铱铑合金坩埚工艺，正是因为氧化镓的爆发节点逐步临近，各种奇思妙想层出不穷，对于行业的发展都是促进作用。
作为器件应用端而言，材料的制备工艺根本上没有太大的争论，最终目标是要实现适用于功率半导体器件的氧化镓材料大尺寸、低缺陷、高性价比。
作为铭镓半导体而言，我们依然坚定不移的将做好材料作为首要，坚持优化导模法的产业基础，持续推进新工艺的改进，我们期待各类方案可以并行，共同推进氧化镓材料的发展，铭镓半导体也会和各位同仁一道共同努力，为中国氧化镓行业的高速发展贡献力量。
北京铭镓半导体有限公司致力于研发和生产新型极性半导体人工晶体材料，即：极大功率、极大频率、极大增益、极大尺寸等，目前业务范围包括第四代半导体材料氧化镓晶体、高频磷化铟晶体和大尺寸掺杂光学晶体材料。总部位于北京顺义，北京市“专精特新”中小企业认证、国家高新技术企业认证、ISO9001ISO14001认证、2023年中国最具商业合作价值的新材料领域企业。
2024年，铭镓半导体获评2024年中国潜在独角兽企业、第五批北京市外资研发中心、北京市博士后科研工作站，完成了北京市科委前沿新材料项目和北京市高精尖老旧厂房改造形目等。
公司已完成5轮融资，由三新基金，洪泰基金、华控基金、英诺天使基金、之路资本、允泰基金、分享投资、骆驼资本、图灵创投中关村创业大街、瑞良创投、中承建业等国内外知名机构投资。
来源： 铭镓半导体
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