垂直布里奇曼法生长4英寸Fe掺杂（010） β -氧化镓及其性能表征

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0159

摘要/Abstract

摘要： 本文采用自主设计的垂直布里奇曼（VB）晶体生长系统，结合仿真迭代优化温场结构，成功实现了以微凸固液界面与适宜温度梯度生长大尺寸、高质量的Fe掺杂β相半绝缘氧化镓（β-Ga₂O₃）单晶。经加工制备出高质量的4英寸（010）取向半绝缘衬底。对该衬底的结晶质量、表面形貌及电学性能进行系统表征。测试结果表明，衬底无裂纹等宏观缺陷，X射线摇摆曲线半峰全宽（FWHM）均低于50″，显示出优良的结晶质量。表面形貌分析显示，衬底最大表面粗糙度为0.074 nm，局部厚度偏差（LTV）小于3.4 μm，总厚度偏差（TTV）为4.157 μm，翘曲度（Warp）和弯曲度（Bow）分别为5.886和1.103 μm，说明衬底加工质量良好。电学测试表明，衬底平均电阻率达7.9×10¹⁰ Ω·cm，面内不均匀性为7.77%，证明VB法在实现均匀掺杂方面表现优异，具备应用于微波射频（RF）器件的潜力。

关键词: 氧化镓; 宽禁带半导体; 晶体生长; 垂直布里奇曼; 单晶衬底; 掺杂

Abstract: In this study， a self-built vertical Bridgman （VB） system was utilized to grow large-size， high-quality Fe-doped β-Ga₂O₃ single crystals. Through iterative thermal field optimization via simulation， slightly convex solid-liquid interface and appropriate temperature gradient were achieved. The as-grown crystal was further processed into a high-quality 4-inch （010） oriented semi-insulating substrate. Comprehensive evaluations of crystallinity， surface morphology， and electrical properties were carried out. The substrate exhibits no macroscopic defects such as cracks. Multi-point X-ray rocking curve measurements show full width at half maximum （FWHM） values all below 50″， indicating superior crystalline quality. Surface topography tests reveal a maximum roughness of 0.074 nm， local thickness variation （LTV） below 3.4 μm， total thickness variation （TTV） of 4.157 μm， warp of 5.886 μm， and bow of 1.103 μm， demonstrating excellent processing quality. Moreover， the substrate displays high average resistivity of approximately 7.9×10¹⁰ Ω·cm with an in-plane inhomogeneity of about 7.77%， underscoring the effectiveness of VB method in achieving uniform doping distribution and its potential for radio frequency （RF） and microwave device applications.

Key words: Ga₂O₃; wide-bandgap semiconductor; crystal growth; vertical Bridgman; single crystal substrate; doping

中图分类号:

O782⁺.5

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图/表 6

表1 β-Ga2O3熔体和晶体的材料参数

Table 1 Material properties of β-Ga2O3 melts and crystals

Property	Melt	Crystal
Density，ρ/（kg·m^-3）	6 217.35-0.65T	5 974.5-0.0 815T
Specific heat，c_p/（J∙kg^-1∙K^-1）	850	700
Thermal conductivity， λ/（W∙m^-1∙K^-1）	4.3	32 800×（1/T）^1.27
Emissivity， ε	0.5	0.3
Melting temperature， T_m/K	—	2 093
Latent thermal， ΔH/（kJ·kg^-1）	533.5	—
Viscosity， μ/（Pa∙s）	0.05	—

图1 VB炉剖面结构示意图（a），以及模拟得到的VB法晶体生长温度梯度和固液界面情况（b）

Fig.1 Schematic section of VB furnace （a）， and simulated temperature gradient and solid-liquid interface of crystal growth using VB method （b）

图2 4英寸Fe∶β-Ga2O3（010）单晶衬底（a）与偏光照片（b）

Fig.2 4-inch Fe∶β-Ga2O3 （010） single crystal substrate （a） and polarized photo （b）

图3 4英寸Fe∶β-Ga2O3（010）单晶衬底的五点测试位置（a）和高分辨X射线摇摆曲线测试结果（b）

Fig.3 Five point positions （a） and high-resolution XRD curve test results （b） of 4-inch Fe∶β-Ga2O3 （010） single crystal substrate

图4 4英寸Fe∶β-Ga2O3（010）单晶衬底的五点粗糙度（a）与局部厚度偏差测试结果3D形貌图（b）

Fig.4 Five-point surface roughness （a） and 3D topography diagram （b） from local thickness variation of 4-inch Fe∶β-Ga2O3 （010） single crystal substrate

图5 4英寸Fe∶β-Ga2O3（010）单晶衬底面上电阻率分布

Fig.5 Electrical resistance distribution of 4-inch Fe∶β-Ga2O3 （010） single crystal substrate

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