氧化镓单晶衬底｜DFT理论揭秘磷掺杂导电机理，高端高压功率器件核心基底

一、产品定位：氧化镓单晶衬底，超宽禁带高端器件核心载体

相较于蓝宝石异质外延路线，我司自主研发EFG导模法β-Ga₂O₃单晶衬底，是高端超高压功率器件的核心基底，彻底解决异质外延晶格失配、界面缺陷、元素扩散等痛点，四大核心优势无可替代：

1. 零晶格失配，缺陷密度极低：同质外延无孪晶、层错、旋转畴等缺陷，外延薄膜位错密度大幅降低1-2个数量级，器件击穿电压可达10kV以上，适配1200V以上高压功率器件场景。

2. 材料性能天花板：延续氧化镓本征4.9 eV超宽带隙、8 MV/cm超高击穿场强特性，Baliga优值为SiC的11倍、硅基材料的数百倍，同等耐压条件下，器件体积更小、导通损耗更低、能效更高。

3. 掺杂可控性极强：无蓝宝石衬底铝元素扩散干扰，离子注入、原位掺杂杂质激活效率更高，可稳定实现高浓度、可复刻的p/n双极掺杂，完美适配垂直功率器件、PN结二极管、高端光电器件研发。

4.量产尺寸持续迭代：目前2/4英寸衬底已实现稳定量产，6英寸样品完成研发迭代，可兼容8英寸硅基产线，全面布局高端功率器件长期量产市场。

产品梯度定位：蓝宝石衬底主打低成本、规模化民用市场，氧化镓单晶衬底主打高性能、高可靠、超高压高端市场，双线产品全覆盖行业客户需求。

二、DFT第一性原理仿真：磷掺杂p型导电底层机理

为精准验证氧化镓衬底的掺杂优势，本次研究构建完整β-Ga₂O₃超胞模型，通过CASTEP密度泛函理论（DFT），定量分析磷置换缺陷的形成能、电子能带结构、费米能级演化规律，从原子层面解释p型导电核心机理。

1. 仿真晶格模型

【图1】氧化镓晶格球棍结构示意图（a：本征Ga₈O₁₂、b：磷置换氧位模型、c：磷置换镓位模型；棕色=Ga、红色=O、浅紫色=P）

本征β-Ga₂O₃空间群为C₂/m，我司单晶衬底完美复刻该标准晶格结构，无晶格畸变与界面缺陷；而蓝宝石异质外延因晶系差异，天然存在晶格失配，会严重干扰受主能级形成，降低掺杂效率。

2. 缺陷形成能：氧化镓衬底更易形成高效受主缺陷

核心仿真数据验证：磷原子优先置换氧化镓晶格氧位（P_O缺陷），中性P_O缺陷形成能为7.44eV，热力学稳定性更高；而置换镓位（P_Ga缺陷）形成能高达9.65eV，极难生成。

同时，磷原子氧化数越高，缺陷形成能越低：五价磷置换氧位缺陷形成能仅2.42eV，极易在晶格中形成浅受主能级，持续产生空穴载流子。相较于蓝宝石衬底，氧化镓单晶衬底无外来元素干扰，高价磷受主缺陷占比更高，空穴浓度与导电稳定性远超异质外延体系。

2. 能带结构与费米能级演化规律

【图2位置】P_O系列掺杂模型能带结构与原子投影态密度图（虚线为费米能级）

【图3位置】P_Ga系列掺杂模型能带结构与原子投影态密度图（虚线为费米能级）

仿真结果表明：磷掺杂可在氧化镓价带内形成稳定浅受主能级，费米能级随磷原子氧化数升高呈二次函数下移，无限靠近价带顶，持续提升空穴载流子浓度与迁移率。

核心拟合公式：

氧位掺杂体系：Ef=0.1067x²-0.9741x+4.3269（相关系数0.9907）

镓位掺杂体系：Ef=0.1775g²-1.5171g+5.6190（相关系数0.9863）

氧化镓单晶衬底可精准调控磷离子价态分布，实现可预测、可复刻的稳定p型导电，是高端器件掺杂工艺的最优选择。

三、SRIM离子注入仿真：衬底掺杂均匀性对比优势

【图4】低、中、高剂量磷离子SRIM深度分布仿真曲线

多能量叠加注入工艺可实现氧化镓外延层全域均匀掺杂，浓度梯度可控。相较于蓝宝石衬底，氧化镓单晶衬底彻底杜绝衬底元素反向扩散问题，高剂量掺杂后无浓度衰减、无缺陷钝化，无需额外缓冲层即可获得超高载流子浓度，大幅简化工艺流程、提升器件良率与可靠性。

四、双衬底产品差异化选型指南

五、氧化镓单晶衬底配套技术服务

1. 批量供货：2/4英寸半绝缘、导电型氧化镓单晶衬底稳定量产，6英寸定制试样可快速交付；

2. 全流程技术支持：提供DFT掺杂机理仿真、SRIM离子注入参数模拟、工艺方案优化一体化服务；

3. 工艺配套：提供同质MOCVD外延、离子注入、高温退火全套成熟工艺方案，助力客户快速落地高端p型氧化镓功率器件。

六、总结

依托成熟的磷离子注入掺杂工艺，我司蓝宝石衬底、氧化镓单晶衬底可分别满足行业低成本量产与高性能研发两大核心需求。蓝宝石衬底赋能民用半导体器件规模化落地，氧化镓单晶衬底支撑高端超高压功率器件技术突破，双线产品全面覆盖第四代半导体氧化镓产业链应用场景，为客户提供一站式衬底与工艺解决方案。