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浙大杭州科创中心首次采用新技术路线成功制备2英寸氧化镓晶圆

来源:浙大杭州科创中心    2022-05-10
近日,浙江大学杭州国际科创中心(简称科创中心)给出了新方案。在首席科学家杨德仁院士的带领下,科创中心先进半导体研究院发明了全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆,目前已经成功制备直径2英寸(50.8 mm)的氧化镓晶圆,使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。

实现“双碳”目标,科技创新是关键引擎。使用氧化镓制作的半导体器件可以实现更耐高压、更小体积、更低损耗,在新能源汽车、轨道交通、可再生能源发电等领域降低能源消耗方面前景无限。

氧化镓产品的研制已经成为国际科技战略必争高地,目前主流技术路线生长的氧化镓晶体,成本比较高,一定程度上影响了氧化镓材料在国内的大规模产业化。

全新技术路线! 成功制备2英寸氧化镓晶圆

面对传统技术的发展瓶颈,近日,浙江大学杭州国际科创中心(简称科创中心)给出了新方案。在首席科学家杨德仁院士的带领下,科创中心先进半导体研究院发明了全新的熔体法技术路线来研制氧化镓体块单晶以及晶圆,目前已经成功制备直径2英寸(50.8 mm)的氧化镓晶圆,使用这种具有完全自主知识产权技术生长的2英寸氧化镓晶圆在国际尚属首次。

研发团队的张辉教授说,使用新技术路线生长的氧化镓晶圆有两个显著优势,一是使用这种方法生长出的氧化镓晶圆的晶面具有特异性,使得制作的功率器件具有较好的性能;二是由于采用了熔体法新路线,减少了贵金属铱的使用,使得氧化镓生长过程不仅更简单可控,成本也更低,具有更大的产业化前景。

“每克铱的价格就高达上千元,可以说是比黄金更珍贵的贵金属。但主流方法生长氧化镓晶体使用的盛放熔体的坩埚,是由贵金属铱制成的,因此过去一直难以降低晶体成本。”张老师说,“我们采用的新办法减少了铱的使用,成本更低,对后面产业化来说,具有现实意义。”

经检测,科创中心采用新技术路线研制出的这批氧化镓晶圆的导电类型为半绝缘型,直径尺寸达到50.8±0.5 mm,表面粗糙度小于0.5 nm,光学透过率良好,高分辨X射线摇摆曲线测试半高宽小于100 弧秒,衍射峰均匀对称,单晶质量较好,关键技术指标已达领域内的先进水平。

不负韶华!他们夜以继日奋斗在科研前线

著名物理学家、X光的发现者伦琴曾说过:“我喜欢离开人们通行的小路,而走荆棘丛生的崎岖山路。”

创新之路从来都不是一帆风顺的,但它带来的惊喜与收获却是无与伦比的。研发团队的张辉教授说,这次之所以会另辟蹊径使用新技术路线,其实也是源自一次意外的发现。

团队成员对意外发现进行了深入研究,从而探索出了一套全新技术方案。从最初开始研究新方案,到采购调整设备,再到最终产出成果,团队只用了半年的时间!高效的背后,是团队成员全力以赴的付出。

张老师说,为了满足实验要求,他们要对购置回来的实验设备进行二次设计与调试,为了达到最佳效果,他们联系了全国各地的专业机构进行了调整改造。时间紧任务重,就算是马上要过年,团队成员还是选择奔波在路上。

“团队的年轻人都很辛苦!”张老师说,“氧化镓单晶的生长要在1800摄氏度的高温熔炉里,一块单晶生长光熔化原料就要花费一天时间,从准备原料到最后单晶产品生成,需要整整三天时间,整个过程都离不开人,团队里年轻人就轮班守着,通宵达旦是家常便饭。”

有时候,上完大夜班,老师们转头又会加入早上组会讨论,等到各种任务都忙完了,才会回去休息一会。对他们来说,做自己喜欢的事情,再苦也是幸福的。

科研人员表示,西方发达国家都是依托化石能源的使用,抓住了第二次工业革命的机遇得以快速发展。他们现在夜以继日研究新材料,也是希望助力中国,抓住“双碳”经济的发展窗口,在新能源的转化上做出科创贡献!下一步,他们计划在2年内制造出直径4英寸级别的大尺寸氧化镓晶圆,进一步助力国内氧化镓材料的产业发展。

浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院紧紧围绕国家重大战略需求和浙江省战略性新兴产业发展布局,以数字化改革为引领,以宽禁带半导体材料、功率芯片和射频芯片的研发与产业化为核心,以封装测试和应用技术作为服务支撑,拥有国际一流的大型仪器设备和超净实验室等研发设施,目前已获批浙江省宽禁带功率半导体材料与器件重点实验室,国内唯一的全链条开放式宽禁带半导体材料、器件及应用创新高能级科研平台,研究院由杨德仁院士担任首席科学家,学术委员会主任由郑有炓院士担任,院长由盛况教授担任,整合浙江大学电气学院、材料学院、信电学院以及上下游相关企业力量,着力打造第三代半导体研发、制造、应用和测试评价全产业链的新格局,驱动浙江省、长三角地区的第三代半导体产业的发展与转型,以硬核科技成果支撑浙江省乃至全国相关战略产业发展,提高我国在宽禁带半导体领域的国际竞争力和影响力。


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