Simdroid-FEMAG：助力第四代半导体氧化镓（Ga2O3）晶体开发

我们正见证着半导体产业的又一次重大飞跃。这次的主角不是以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体，而是以氧化镓(Ga2O3)为代表的第四代半导体。它正悄然开启半导体产业的新纪元。

一、功率器件半导体的演进

功率器件半导体作为高效电能控制与转换的关键，广泛应用于高电压、大电流场景，如手机充电器，通过将高压交流电转换为直流电，为手机电池充电。与处理数字信号的逻辑芯片不同，功率器件需要处理大电流和高电压。传统单晶硅半导体（即第一代半导体）既可以用于逻辑芯片，也可以用于功率器件。然而，随着电器产品小型化和节能需求的增加，硅基功率器件已难以满足市场要求，特别是在光伏和新能源汽车领域。

碳化硅（SiC）凭借宽禁带、高击穿电场、高热导率等特性，在高温、高压、高频和高功率应用中显著优于硅基半导体，成为新一代功率器件的理想材料，更是第三代半导体产业的代表。在此背景下，中国凭借新能源汽车的强劲需求，在全球第三代半导体晶体材料市场中迅速崛起，与Wolfspeed（美国）、Coherent（美国）、Rohm（日本）等SiC晶体国际巨头展开激烈竞争。

二、第四代半导体：Ga2O3的异军突起

如今，氧化镓(Ga2O3)作为新一代半导体功率器件材料，正逐渐进入公众视野。其超宽禁带、高击穿电场、高Baliga品质因数、低成本和高频等特能，在高温、高压、高频和高功率应用中展现出显著优势。我们称以Ga2O3为代表的超宽禁带半导体为第四代半导体，它将成为下一代功率器件的理想材料。

β-Ga2O3的晶胞结构与主要半导体的材料特性 [图片源自文献3]

1. 国际进展

2017年9月，Novel Crystal Technology公司开始批量生产φ2英寸Ga2O3外延片，并于2021年12月成功开发出世界上首个安培级1200V肖特基势垒二极管（β-Ga2O3 SBD）。2023年12月，该公司采用垂直布里奇曼法（VB法）成功生产出全球首款φ6英寸β型Ga2O3单晶，与导模法（EFG法）相比，晶体质量更高。

富士经济预测，到2030年左右，Ga2O3将在汽车和电气领域得到全面应用。日本经济产业省在2023年末明确提出，到2030年将实现Ga2O3功率器件半导体的实用化，到2050年在10兆日元的功率器件半导体市场中，Ga2O3将占据80%的市场份额，甚至部分刚刚开始量产的SiC市场也将被Ga2O3取代。

2. 中国布局

为推动我国宽禁带半导体发展，打破国外技术封锁，提升国际竞争力，我国已启动由中国科学院上海光学精密机械研究所牵头的国家重点研发计划“新型显示与战略性电子材料”重点专项“大尺寸氧化镓半导体材料与高性能器件研究”项目。在政策支持和市场需求的双重驱动下，中国有望在Ga2O3半导体领域实现更大突破。

三、Simdroid-FEMAG：助力Ga2O3晶体生长

面对第四代半导体晶体生长技术的潜在市场需求，云道智造的伏图-晶体生长模块（Simdroid-FEMAG）全面涉足该领域，对Ga2O3晶体生长的多种工艺技术进行了模拟计算，获取了重要材料数据和工艺设计参数。其计算结果与国际学术期刊的论文[参考文献1，2]的趋势一致，具体仿真结果如下：

1. CZ法仿真φ6英寸β型Ga2O3单晶生长

在基于经验推测的炉材结构条件下，Simdroid-FEMAG模拟得到的全局温度分布与参考文献1完全一致，尤其是熔体的温度差。此外，熔体流动呈现出几个大涡流动方式，这同样与文献结果相符。大涡的形成源于自然对流。流速分布上存在差异的原因包括：

驱动力和阻力：对流的驱动力取决于温度差和热膨胀系数，而阻力主要源于熔体的粘性、坩埚壁和固液界面的附着力。

参数获取的局限：通过改变热膨胀系数、熔体粘性、炉内材料导热性，以及考虑不同晶向的情况，均无法使熔体流动速度达到文献中的数值水平。

边界条件差异：文献在熔体与坩埚壁面的流动边界条件上使用了“sliding boundary condition（相对滑动）”，这与通常情况下流体壁边界条件“no slip（无滑动）”不符，可能是导致速度差异的根本原因。

固液界面的影响：是否考虑固液界面也对流场产生一定影响。

φ6英寸β型氧化镓单晶提拉炉内全体和晶体/熔体局域温度场分布在Simdroid-FEMAG/CZ（左）中与参考文献1（右）中的计算结果对比

φ6英寸β型氧化镓单晶提拉过程中熔体流线图在Simdroid-FEMAG/CZ（左）中与参考文献1（右）中的计算结果对比

2. VB法仿真φ4英寸β型Ga2O3单晶生长

由于文献中未明确给出仿真计算中的晶体生长速度条件，Simdroid-FEMAG在使用0.03mm/min的晶体生长速度时，固液界面的形状与文献结果一致。

Simdroid-FEMAG/VB中φ4英寸β型Ga2O3单晶生长的网格图

（a）晶体生长初始阶段

（b）晶体生长收尾阶段

φ4 英寸β型氧化镓单晶炉内温度场分布在Simdroid-FEMAG/VB（左）中和参考文献2（右）中的计算结果对比

3. EFG法仿真β型Ga2O3单晶生长

Simdroid-FEMAG仅对EFG法晶体生长进行了二维仿真。结果显示，坩埚相对于Ga2O3熔点的温差高达百摄氏度，这极大限制了坩埚材料的选择范围。目前普遍采用价格昂贵的铱金（Ir）坩埚，这成为EFG法未来产业化面临的一大挑战。

Simdroid-FEMAG/EFG网格剖分与自由表面曲线的设置操作

Simdroid-FEMAG/EFG（2D）中β型Ga2O3单晶生长的温度场和速度场仿真结果

四、结语

人类科学始终在技术层面不断探索，力求解决人类社会所面临的资源、能源、环境、经济及地缘等全球性挑战。以Ga2O3为代表的第四代半导体材料及其制造的半导体功率器件技术，正逐步融入人们的生活。Simdroid-FEMAG正在为这一前沿技术的加速到来提供高效便捷的推动工具。

可登陆Simapps网站，申请试用仿真工具Simdroid-FEMAG。

参考文献：

1. Tang, X., Liu, B., Yu, Y., Liu, S.,Gao, B. Numerical Analysis of Difficulties of Growing Large Size Bulk β-Ga2O3 Single Crystals by Czochralski Method. Crystals 2021, 11, 25.

2. Kakimoto, K., Takahashi, I., Tomida, T., Kamada, K., Yao, Y., Nakano, S., & Yoshikawa, A. (2023). 3D calculations studies of dislocation density in a β – Ga₂O₃ crystal grown by vertical Bridgman method. Journal of Crystal Growth, 609, 127126.

3. 東脇 正高，佐々木 公平，酸化ガリウム（Ga2O3）結晶成長およびデバイス応用，表面科学 Vol. 35, No. 2, pp.102-107,2014.