3~4英寸Fe掺高阻β-Ga₂O₃单晶的制备及其性能研究

摘要：β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，因优异的耐高压性能（理论击穿场强达8 MV/cm）和低成本制备潜力，在高压功率电子器件领域备受关注。然而，β-Ga2O3高熔点（约1800 ℃）、各向异性强、易解理等特性使得大尺寸高质量单晶生长难度极大。导模法（EFG）虽

β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，因优异的耐高压性能（理论击穿场强达8 MV/cm）和低成本制备潜力，在高压功率电子器件领域备受关注。然而，β-Ga2O3高熔点（约1800 ℃）、各向异性强、易解理等特性使得大尺寸高质量单晶生长难度极大。导模法（EFG）虽能有效抑制熔体挥发，但如何实现高成品率和大尺寸晶体生长仍是挑战。此外，Fe掺杂是调控β-Ga2O3电学性能（如高阻特性）的重要手段，但Fe对晶体质量、带隙及应力影响的系统性研究仍不充分。

近日，中国电子科技集团公司第四十六研究所程红娟教授团队在《人工晶体学报》2025年第3期“氧化镓晶体与器件”专题（下辑）发表了研究论文《3~4英寸Fe掺高阻β-Ga2O3单晶的制备及其性能研究》（第一作者：霍晓青；通信作者：程红娟）。本文通过导模法成功制备了3~4英寸Fe掺杂β-Ga2O3单晶，并对其电学、光学及结构性能进行了全面表征，发现晶体的成晶率达到80%及以上，单晶缺陷少，质量优异，(100)晶片的电阻率在5.65×1010~6.37×1010 Ω·cm，为衬底外延和器件应用提供了重要数据支撑。

论文题录●●

霍晓青, 张胜男, 周金杰, 王英民, 程红娟, 孙启升. 3~4英寸Fe掺高阻β-Ga2O3单晶的制备及其性能研究[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(3): 407-413.

HUO Xiaoqing, ZHANG Shengnan, ZHOU Jinjie, WANG Yingmin, CHENG Hongjuan, SUN Qisheng. Preparation and Properties of 3~4 Inch Fe Doped β-Ga2O3 Single Crystal with High Resistance[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(3): 407-413.

//文章导读

作者称取氧化镓多晶原料和Fe2O3粉料放入坩埚中，将坩埚放入生长单晶炉，升温至原料熔化，向上提拉籽晶，待晶体生长完毕，将晶体完全提拉出至模具上方，待炉体降至室温后取出晶体，其照片如图1所示。

图1生长的氧化镓多晶照片

对生长出的3~4英寸Fe掺杂(100)面β-Ga2O3晶坯，取中心部位40 mm×70 mm(100)晶面的β-Ga2O3单晶进行加工，并从上至下均分为4个部分，再取中心部位4个样品进行光学性能测试，样品编号分别为1-1至1-4，测试样品大小为10 mm×10 mm，如图2所示。

图2测试样品位置

研究团队通过优化温场梯度（尤其是模具径向温度梯度），成功生长出长度达270 mm的3~4英寸(100)面Fe掺杂β-Ga2O3单晶（见图3），成晶率达50%（2英寸单晶超过80%），显著降低了成本。晶体完整无孪晶，表明生长工艺稳定可控。

图3导模法生长的3~4寸β-Ga2O3单晶

通过非接触电阻率测试仪对40 mm×70 mm晶片进行Mapping分析，结果显示（见图4）电阻率分布均匀（5.65×1010~6.37×1010 Ω·cm），仅边缘略有波动，证实了晶片电学性能的高度一致性。

图4β-Ga2O3单晶抛光片的电阻率分布

在200~2500 nm和2.5~25 μm波段测试中（见图5、图6），不同位置晶片的透过率曲线高度重合，起始透过波长均为260 nm，最高透过率超80%，且中红外波段性能一致，表明载流子浓度分布均匀，光学均一性优异。

图5200~2500 nm波长不同位置β-Ga2O3单晶抛光片的透过率

图62.5~25 μm波长不同位置β-Ga2O3单晶抛光片的透过率

对图2所示的4个样品进行XRD的FWHM测试分析。不同位置的XRD摇摆曲线测试图谱如图7所示，具体数值如表1所示。可以看出晶片不同位置的FWHM均小于40″，衍射峰尖锐无杂峰，说明晶体缺陷少，质量优异。此外，三种Fe掺杂浓度（0.015%、0.018%、0.020%）的样品FWHM分别为71.2″、62.1″和59.6″（见图8），结晶质量均良好，表明Fe掺杂未显著引入缺陷。

图7β-Ga2O3单晶不同位置的XRD摇摆曲线

表1不同位置β-Ga2O3单晶的FWHM

图8不同Fe掺杂量高阻β-Ga2O3单晶不同位置的HRXRD图谱

透过光谱与吸收系数分析表明（见图9、图10），随着Fe掺杂量增加，β-Ga2O3带隙从4.80 eV（未掺杂）逐步增至4.95 eV（0.020% Fe），电阻率同步提升至9.28×1010 Ω·cm。Raman光谱（见图11）进一步显示，Fe掺杂导致A6(10)模式红移（从769.2 cm-1降至768.2 cm-1），表明晶体产生微弱拉伸应力，但振动模式未发生显著变化，证实Fe掺杂未破坏晶格完整性。

图9非掺和不同Fe掺杂量(100)晶面高阻β-Ga2O3单晶透过率谱

图10(αhν)2与未掺杂和不同Fe掺杂量β-Ga2O3直接跃迁光子能量的关系

图11室温下非掺与不同Fe掺杂量β-Ga2O3单晶的Raman光谱

结论

本文采用导模法生长了高质量的Fe掺高阻β-Ga2O3单晶，3~4英寸(100)面β-Ga2O3单晶长度最大达到270 mm以上，成晶率可达到50%，2英寸(100)面β-Ga2O3单晶的成晶率可达到80%及以上，有效降低了氧化镓单晶的生长成本。对大尺寸(100)面高阻单晶片的电学、光学和XRD FWHM等特性进行了表征，数据表明晶片的性能一致性佳，质量优异。进而又对系列Fe掺杂的β-Ga2O3单晶进行了性能研究，发现不同Fe掺杂β-Ga2O3单晶结晶质量佳，Fe元素可使β-Ga2O3单晶的带隙变宽，同时Fe掺杂使β-Ga2O3单晶产生了轻微的拉伸应力。本文对非掺和Fe掺β-Ga2O3单晶性能的研究，为后续衬底外延和器件验证提供数据支撑。

通信作者●●

程红娟，中国电子科技集团公司第四十六研究所新材料研发中心副主任，正高级工程师。《人工晶体学报》青年编委。主要从事硫化镉、氮化铝等新型半导体单晶材料研制工作。主持并参与国家“863”、国防“973”、国家重点研发计划、基础科研重大等各类科研项目20余项，先后获省部级奖项9次，发表科技论文10余篇，授权国家专利20余件。