所属领域

集成电路与ICT

技术成熟度

产业化

应用行业

半导体

合作方式

技术合作

成果概况

本技术的主要产品为氧化镓单晶薄膜材料，Ga2O3材料具有禁带宽度更大、击穿场强更高、成本更低等突出优点，是深紫外光电子器件和超高压功率器件的优选材料之一。预期应用场景主要面向汽车电力电子、日盲紫外探测器等，市场应用潜力巨大。

本技术成果将大幅提升我国在超宽禁带半导体材料和器件方面的实力，掌握自主核心知识产权，打破国外垄断，大幅降低产品成本，形成直接经济效益，带动半导体产业链的发展。利用本技术制备的产品如图1所示，其主要技术指标为：单晶薄膜ω-scan摇摆曲线半高宽≤100 arcsec，厚度≥1 um，表面形貌粗糙度RMS≤3 nm。

关键技术

氧化镓外延薄膜缺陷和碳杂质控制关键技术

氧化镓外延大多数情况下为异质外延，衬底和氧化镓薄膜之间存在晶格失配，直接生长的外延层表面容易有裂纹，位错密度较大。

缺陷控制关键技术之一，通过“两步法”技术生长缓冲层降低应力缺陷，提高薄膜质量。通过插入α-Fe2O3或α-(Al,Ga)2O3的缓冲层可以消除裂纹，位错密度可以大幅下降，比原有直接生长的位错密度可以降低两个数量级。

缺陷控制关键技术之二，利用侧向外延法提高异质外延薄膜质量。在带有掩膜的图形化衬底上进行外延，掩膜窗口的尺寸一般是微米量级，外延生长首先从窗口中开始向上生长形成孤立的岛，这些岛继续生长，横向生长速度快于纵向生长速度，导致起始的选择生长外延层扩展到窗口外并最终形成连续外延层。在这个生长过程中，籽晶中一开始产生的位错并不会贯穿到晶体的表面，而是向横向弯曲以使弹性应变能最小，促使表面的位错密度大幅减小。

碳杂质控制关键技术，利用不含碳的原料进行替代，降低碳杂质。乙酰丙酮镓价格昂贵，且含有碳杂质。使用氯化镓、碘化镓或溴化镓等进行原料替代。在降低生长成本的同时，有效控制碳杂质。

应用领域和市场前景

氧化镓在高功率、低功耗器件方面具有非常广阔的应用前景，市场规模巨大。据富士经济公布的宽禁带功率半导体元件全球市场预测，2030年氧化镓功率元件的市场规模将会达到1542亿日元（约人民币92.76亿元），如图2所示。通过Mist-CVD外延的方式生长氧化镓的成本，只有碳化硅的十分之一，可以降低到与硅材料同一水平甚至更低。本技术转化后预期实现年产衬底外延片2万片，年预期新增产值1亿元，利税1000万元。