在緊張忙碌的半導(dǎo)體材料研究室，白色的氧化鎵粉末聚沙成塔，在單晶生長爐里默默生長。由它加工而成的氧化鎵襯底片、外延片，可以制作成各類功率器件，在新能源汽車、軌道交通、可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域前景無限，有望大幅降低能源消耗。

近日，杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司聯(lián)合浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心（簡稱科創(chuàng)中心）先進(jìn)半導(dǎo)體研究院、硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國重點實驗室使用鑄造法成功制備了高質(zhì)量4英寸氧化鎵單晶，并完成了4英寸氧化鎵晶圓襯底技術(shù)突破。

1英寸、2英寸、4英寸氧化鎵單晶

本項目獲得了浙江省2023年“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計劃資助以及杭州市蕭山區(qū)“5213”卓越類計劃扶持。

鑄造法是科創(chuàng)中心首席科學(xué)家楊德仁院士團(tuán)隊自主研發(fā)的、適用于氧化鎵單晶生長的新型熔體法技術(shù)，其生長的氧化鎵晶圓具有兩個顯著優(yōu)勢，一是由于采用了熔體法新路線，顯著減少了貴金屬銥的使用量，使得氧化鎵生長過程不僅更簡單可控，而且成本也更低，具有更廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景；二是使用該方法生長出的氧化鎵為柱狀晶，可滿足不同使用場景的需求。

“每克銥的價格就高達(dá)上千元，可以說是比黃金更珍貴的貴金屬。但主流方法生長氧化鎵晶體使用的盛放熔體的坩堝及配件，需要大量的貴金屬銥，因此過去一直難以降低襯底成本。”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人張輝教授說，“我們采用的方法大幅減少了銥的使用，成本更低，對產(chǎn)業(yè)化來說具有現(xiàn)實意義。”

氧化鎵的固液界面失穩(wěn)、熱沖擊產(chǎn)生高密度位錯、溫度梯度的調(diào)控以及晶體開裂……事實上，鑄造法在研發(fā)過程中也遇到了諸多問題，輪班值守、修改方案，經(jīng)歷了成百上千次的實驗后，團(tuán)隊最終優(yōu)化了鑄造工藝，突破了生長、加工等各項技術(shù)難題。

X射線搖擺曲線和原子力顯微鏡圖

據(jù)晶片測試分析顯示，晶體質(zhì)量和加工技術(shù)也保持在產(chǎn)品級標(biāo)準(zhǔn)。高分辨X射線搖擺曲線半高寬小于100弧秒，衍射峰均勻?qū)ΨQ，表明晶體質(zhì)量良好。加工后晶片經(jīng)AFM測試證實，表面粗糙度小于0.5 nm。

早在去年5月，科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院就成功突破2英寸生長技術(shù)，制備了直徑2英寸的氧化鎵晶圓，為實現(xiàn)氧化鎵批量生產(chǎn)打下堅實基礎(chǔ)。未來，團(tuán)隊將繼續(xù)開展自主創(chuàng)新工作，逐步突破更大尺寸，更高質(zhì)量的氧化鎵襯底，推動氧化鎵產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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杭州鎵仁半導(dǎo)體有限公司成立于2022年9月，是一家專注于寬禁帶半導(dǎo)體材料（氧化鎵等第四代半導(dǎo)體）研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的科技型企業(yè)。公司開創(chuàng)了氧化鎵單晶生長新技術(shù)，擁有國際、國內(nèi)發(fā)明專利十余項，突破了美國、德國、日本等西方國家在氧化鎵襯底材料上的壟斷和封鎖。鎵仁半導(dǎo)體立足于解決國家重大需求，將深耕于氧化鎵上游產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)創(chuàng)新，努力為我國的電力電子等產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供產(chǎn)品保障。

內(nèi)容來源：浙大杭州科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院