蓝宝石衬底｜MOCVD异质外延β-Ga₂O₃实现稳定p型掺杂
一、产品核心优势：自研蓝宝石衬底，构建氧化镓低成本外延体系
β-Ga₂O₃作为新一代超宽带隙半导体材料，凭借4.9 eV超宽带隙、8 MV/cm超高击穿场强、优异热稳定性，成为功率器件、日盲紫外探测器件的核心材料。目前行业内n型氧化镓掺杂技术已趋于成熟，但稳定可控的p型掺杂一直是产业技术瓶颈，严重制约氧化镓PN结、双极型功率器件的研发与量产。
我司全系c面（0001）抛光蓝宝石衬底，是氧化镓异质外延的最优低成本基底，相较于氧化镓同质单晶衬底，具备三大产业化核心优势：
1. 极致成本优势：蓝宝石制备工艺成熟稳定，可实现2/4/6/8英寸大尺寸批量供货，无贵金属耗材损耗，可将氧化镓外延器件整体制造成本降低60%以上，完美适配消费快充、家电变频、民用紫外探测等大规模量产场景。
2. 全工艺兼容性：衬底平整度高、晶格稳定性好，可完全适配MOCVD外延生长、离子注入、高温退火、金属蒸镀等全套半导体产线工艺，在高能离子辐照、1000℃高温环境下无翘曲、无变形、无破损，良率稳定性极高。
3. 光电热综合性能优异：蓝宝石深紫外波段透光性极佳，适配日盲紫外器件研发；室温热导率达42W/m·K，可快速导出器件工作热量，弥补氧化镓导热短板，大幅提升功率器件长期工作可靠性。
二、基于蓝宝石衬底的氧化镓外延与磷掺杂整套工艺
1. 外延薄膜制备工艺
采用我司标准c面（0001）蓝宝石抛光衬底，通过MOCVD工艺在875℃高温下生长非故意掺杂（UID）β-Ga₂O₃外延层，外延层厚度精准控制为200nm。工艺选用三乙基镓（TEGa）为镓源、99.999%高纯氧气为氧源，生长压力稳定维持15Torr。
原生未掺杂氧化镓外延层呈近绝缘特性，电阻高达10¹⁴Ω，搭配我司超平整蓝宝石衬底（表面粗糙度≤0.3nm），可生长出高质量单晶外延薄膜，无明显缺陷与位错。
2. 梯度磷离子注入工艺（适配蓝宝石基底）
采用E220HP离子注入系统，室温环境下以7°入射角进行离子注入，搭配40keV、50keV、100keV三档离子能量叠加注入，解决单能量注入近表面掺杂浓度不均的问题，精准实现全域均匀掺杂。实验设置低、中、高三档剂量，覆盖不同器件性能需求：
低剂量：2.5×10¹²～1.6×10¹³ atoms/cm²
中剂量：2.5×10¹³～1.6×10¹⁴ atoms/cm²
高剂量：2.5×10¹⁴～1.6×10¹⁵ atoms/cm²
【图1】SRIM软件磷离子深度分布仿真曲线（低、中、高剂量浓度分布、掺杂深度对比图）
3. 高温激活退火与欧姆接触制备
离子注入完成后，在氮气氛围下1000℃快速热退火1min，完成杂质激活，我司蓝宝石衬底全程无变形、无异常元素析出，热稳定性优异。随后在外延层表面蒸镀20nm/100nm Ni/Au金属电极，600℃氮气环境下二次退火1min，形成稳定欧姆接触，满足后续电学测试与器件制备要求。
三、材料表征与电学性能实测结果
1. SIMS二次离子质谱深度分布测试
【图2】SIMS实测磷元素深度分布图（a：低剂量、b：中剂量、c：高剂量，虚线为蓝宝石/氧化镓界面）
测试结果显示：低剂量掺杂样品磷元素分布均匀，峰值浓度达2×10¹⁸cm⁻³，衬底与外延层界面无明显元素互扩散；中、高剂量样品磷峰值浓度分别达到2×10¹⁹cm⁻³、2×10²⁰cm⁻³。高剂量掺杂因离子辐照产生轻微晶格损伤，出现微量铝、磷互扩散现象，我司可通过定制缓冲层蓝宝石衬底彻底优化该问题。整体实测数据与SRIM仿真结果高度吻合，衬底掺杂精度可控、可复现。
2. UPS紫外光电子能谱导电类型判定
【图3】不同剂量掺杂样品UPS价带谱图（插图为带隙费米能级位置示意图）
测试结果明确区分导电类型：低剂量掺杂样品费米能级靠近导带，呈现n型绝缘特性；中剂量掺杂样品费米能级与价带顶差值为1.99eV，落在本征能级与价带之间，呈现标准p型导电特性；高剂量掺杂样品差值缩小至1.84eV，p型导电特性进一步强化。验证了蓝宝石衬底搭配中高剂量磷注入工艺，可有效突破氧化镓p型掺杂技术难题。
3. 霍尔电学性能测试
【图4】中、高剂量p型氧化镓Ni/Au接触I-V曲线及器件测试结构示意图
低剂量样品电阻率过高，无有效电学输出；中、高剂量样品成功实现稳定p型导电，核心电学参数如下：
四、产品应用场景与配套服务
1. 核心应用场景
消费级功率器件：650V快充、家电变频控制器，依托蓝宝石低成本优势实现规模化量产；
日盲紫外探测器件：利用蓝宝石深紫外高透光特性，应用于火灾预警、电网电晕检测、环境监测设备；
科研研发迭代：2/4英寸标准抛光衬底，适配高校、科研院所氧化镓掺杂工艺、器件研发实验。
2. 晶沐光电专属配套服务
支持c面、r面、a面多晶向蓝宝石衬底定制，可按需匹配氧化镓外延缓冲层方案；
提供衬底选型+MOCVD外延+离子注入参数仿真全套技术支持；
4/6/8英寸大尺寸衬底批量交付，大幅缩短客户产线验证与量产周期。
