华润微电子联合武汉大学在氧化镓单晶生长热场与应力优化取得进展

近日，华润微电子中央研究院联合武汉大学张召富教授团队，在期刊《Semiconductor Science and Technology》发表了一项关于氧化镓单晶生长的研究成果。论文围绕垂直布里奇曼法（VB法）生长β-Ga₂O₃单晶过程中的热场优化与应力分布问题，开展了系统的数值模拟分析，为提升大尺寸氧化镓单晶质量提供了重要理论依据。

在新一代功率电子与深紫外光电器件需求的推动下，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为典型的超宽禁带半导体材料，正受到广泛关注。然而，该材料本身具有较高脆性，且热导率存在明显各向异性，使其在晶体生长与冷却过程中极易因热应力集中而发生开裂，成为制约其规模化应用的关键瓶颈。

在多种晶体生长技术中，垂直布里奇曼法因具备温度梯度可控、适合柱状晶体生长以及工艺稳定性较高等优势，被认为是实现氧化镓单晶衬底批量制备的重要路径之一。但由于生长过程中炉腔内部环境难以直接观测，热场演化与应力分布的精确掌握仍高度依赖数值模拟手段。

针对上述问题，研究团队构建了一个耦合热学与力学的多物理场三维有限元模型，对VB法生长β-Ga₂O₃单晶过程中的温度场、热流分布及应力演化进行了系统分析。研究结果表明，在该生长体系中，热辐射是主导的传热方式，其作用显著强于热传导。

进一步分析发现，多加热器配置有助于提升炉内径向温度均匀性，并在一定程度上降低能耗，但由于中间隔热层对辐射的屏蔽作用，会导致轴向温度梯度增加；相比之下，单加热器结构在轴向温度稳定性方面表现更优。这一结果表明，在实际工艺设计中，需要在径向均匀性与轴向稳定性之间进行权衡优化。 

在应力分布方面，由于晶体与坩埚材料之间存在热膨胀系数差异，热应力主要集中在晶体的放肩区及等径生长阶段，是诱发晶体开裂的关键区域。研究指出，通过增大坩埚放肩角度，可以有效缩短机械约束区域，从而降低应力集中程度，改善晶体完整性。

此外，研究还揭示了在相同温度条件下，系统轴向与径向温度梯度呈现非同步变化特征，并通过对辐射与传导能量密度的量化分析，进一步验证了热辐射在整个传热过程中的主导地位。

总体来看，该研究从加热器配置、隔热结构以及坩埚几何设计等多个维度，对VB法生长β-Ga₂O₃单晶的关键物理机制进行了深入解析。结果表明，合理协同优化加热器与隔热层设计，并结合坩埚结构参数调控，对于稳定温度梯度、抑制热应力积累、实现大尺寸高质量氧化镓单晶生长具有重要意义。

该成果为氧化镓材料走向规模化制备提供了关键理论支撑，也为其在高压电力电子与深紫外器件中的进一步应用奠定了基础。

图文导读

图1. (a) 用于生长 β-Ga₂O₃ 晶体的 VB 炉的三维示意图。(b) 用于有限元模拟的生长系统的二维轴对称模型。

图2. 不同加热器配置下生长系统的温度场分布：(a) 单加热器，(b) 双加热器，以及 (c) 三加热器。

图3. 不同加热器配置下沿晶体中心线的轴向温度分布：(a) 单加热器，(b) 双加热器，以及 (c) 三加热器。

 （来源：DT半导体）