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数据库VB法氧化镓单晶生长（一）｜原理与适配性分析
β-Ga₂O₃凭借约4.8 eV的禁带宽度、约8 MV/cm的击穿场强及数倍于SiC的Baliga优值，被视为下一代高压功率器件与日盲紫外探测的重要候选材料。但其熔点约1800 ℃，高温下易分解挥发，热导率偏低且各向异性显著，并存在易解理面，对生长方法提出了特殊要求。镓仁半导体针对这一材料体系，自主研发了氧化镓专用VB法长晶设备。本文作为系列开篇，阐明垂直布里奇曼法（VB法）的基本原理及其与β-Ga2O3的适配性。
01.
VB法的基本原理
原料在坩埚内充分熔化后，坩埚以一定速度通过具有轴向温度梯度的温场，熔体在固液界面处自下而上逐层凝固，整埚熔体定向结晶为单晶。与导模法（EFG）这种“锅外”晶体生长技术不同，VB法是一种“锅内”生长技术，得益于封闭坩埚的约束，能够一次性完成定向凝固成型，无需放肩、等径控制环节，且具备更高的晶向选择自由度。
图1 左侧为EFG法示意图，右侧为VB法示意图
02.
VB法与β-Ga₂O₃的适配性
成本显著降低
EFG法依赖铱坩埚，而铱的高温抗氧化阈值低，在极低氧分压（<2vol%）下也会自发氧化为IrO2/IrO3，氧化挥发损耗显著[1]，叠加铱材本征成本高昂，致使耗材成本居高不下。VB法采用铂铑合金坩埚，凭借其优异的高温抗氧化性，氧化损耗与杂质引入风险同步降低。
图2 铱金损耗与温度的关系
熔体分解抑制
铱的低抗氧化阈值不仅造成材料损耗，更严苛地约束工艺窗口：为规避铱氧化，EFG法须将氧分压压制于极低水平，而低氧分压又加剧晶体热分解，导致EFG法在抑制氧化镓分解和防止铱金损耗之间陷入两难，气氛窗口极为狭窄。VB法则得益于铂铑合金坩埚强抗氧化性而不受此限，可在空气乃至更高氧分压下生长，热分解得以显著抑制[2]，工艺窗口从根本上拓宽。
生长良率较高
β-Ga2O3的各向异性显著，对热场旋转对称性要求苛刻，导致以EFG法为代表的“锅外”生长技术极易在放肩和等径生长阶段产生缺陷，极大阻碍了良率的提升。而VB法因坩埚的刚性约束，有效抑制了各向异性诱发的位错与孪晶等缺陷，生长良率大幅提升。
热场均匀可控
VB法采用电阻加热，构建上热下冷的温度场，不仅避免了EFG法中感应加热的不稳定因素，同时有效避免了重力作用下的自然对流效应，使得固液界面处温度梯度较低，界面稳定性得以大幅增强，进而显著降低晶体热应力。高分辨X射线衍射与同步辐射X射线形貌对比表明，VB晶体的X射线摇摆曲线半峰全宽低于EFG晶体[3]。
晶面取向自由
VB法已获得（100）、（010）、（001）三种晶向的β-Ga₂O₃单晶，为晶向依赖的外延与器件物理研究提供了灵活的材料平台[4]。Hoshikawa等人在空气气氛中较早实现了VB法β-Ga₂O₃单晶生长[2]，此后VB法研究的重心已从可行性验证转向装备能力与工艺稳定性。
值得注意的是，尽管适配性突出，VB法氧化镓的研究积累尚浅，公开文献数量明显少于导模法路线，其热场设计准则、掺杂输运与均匀性、缺陷演化机理等基础问题远未得到系统阐明，仍存在广阔的研究空间。
03.
镓仁VB设备优势
氧化镓约1800 ℃的熔点、对氧分压的敏感性及对平缓温度梯度的要求，意味着设备本身就是工艺的一部分。镓仁半导体VB法长晶设备针对β-Ga₂O₃热物性专门设计，具备四方面优势：
一、尺寸兼容性强，可灵活满足不同尺寸氧化镓单晶的VB法生长需求，无需频繁更换核心部件；
二、温控精度达±0.1 ℃，并可实时监测长晶过程中的各项数据；
三、部署简便，无需额外配置工艺气体、压缩空气与冷却水等供应条件；
四、公司同步配套生长工艺，形成“VB炉＋工艺包”一体化解决方案。
依托自研设备平台，镓仁已实现2~8英寸氧化镓单晶生长。目前，该设备已开放销售，配套标准化工艺包与技术支持，并交付多家高校与科研院所，可支撑长晶机理、掺杂调控与缺陷控制等方向的研究工作。
VB法以“坩埚内定向凝固”同时回应了氧化镓生长对坩埚成本、气氛窗口、热应力与晶面取向的四重要求，且研究积累尚浅，学术空间可观。但如何在设备层面构建并长期维持理想的温度梯度分布，是VB法走向工程化的首要挑战。下一期将围绕VB法热场的设计逻辑与控制策略展开。
参考文献
[1] Z. Galazka, R. Uecker, D. Klimm, et al. Scaling-up of bulk β-Ga2O3 single crystals by the Czochralski method [J]. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2017, 6(2): Q3007-Q3011.
[2] K. Hoshikawa, E. Ohba, T. Kobayashi, et al. Growth of β-Ga2O3 single crystals using vertical Bridgman method in ambient air [J]. Journal of Crystal Growth, 2016, 447: 36–41.
[3] M. I. Chaman, K. Hoshikawa, S. Sdoeung, et al. High crystal quality of vertical Bridgman and edge-defined film-fed growth β-Ga2O3 bulk crystals investigated using high-resolution X-ray diffraction and synchrotron X-ray topography [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2022, 61(5): 055501.
E. Ohba, et al. Growth of (100), (010) and (001) β-Ga2O3 single crystals by vertical Bridgman method [J]. Journal of Crystal Growth, 2021, 556: 125990.
信息来源：镓仁半导体
