（原标题：SiC继任者，横空出世！）

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连年来，半导体行业正在悄然发生一场更正，砷化镓（GaAs），以及更为先进的宽禁带材料（如碳化硅SiC和氮化镓GaN）在多个范围缓缓取代了传统的硅。

这些材料在往日几年时刻中成为了功率半导体行业的大热，它们的应用包括LED、射频（RF）组件和功率器件等范围，其中SiC更是在加快电动化和鼓励新动力汽车普及方面起到了要道作用，而GaN也在AI数据中心的发展中上演了紧迫变装。

但半导体行业并未缓和于此，愈加超前的超宽禁带（UWBG）材料决然在路上，这些材料的禁带宽度远高于GaN（3.4 eV）和SiC（3.2 eV），被视为半导体的新前沿，它们的独到秉性包括更高的耐高温性、更好的功率品级，以及某些材料发达出的独到光学性能。

值得宥恕的是，不少日本厂商有志于鄙人一代功率半导体材料上发力，致使还是有日本厂商还是防范推出了自研的UWBG材料。

取代SiC？

2022年12月成立的日本公司Patentix恰是这一故事的主角，这是一家源自强命馆大学的半导体深科技创业公司，立命馆大学科学工夫商榷机构解释兼RARA商榷员金子健太郎（Kentaro Kaneko）担任了Patentix聚合创始东说念主兼首席工夫官（CTO），在他的主导下，Patentix开发了全新的功率半导体材料r-GeO2（金红石型二氧化锗），其专注于r-GeO2半导体衬底和功率器件的研发。

据了解，立命馆大学和Patentix告捷合营，此前还是初度谢天下范围内运用“幻影空间蒸气千里积法（Phantom SVD）”达成了下一代半导体材料——r-GeO2薄膜在SiC上的助长。

这一商榷后果已于2023年9月，在波兰华沙举行的欧洲最大材料商榷学会（European Materials Research Society, E-MRS）秋季会议上发布，永恒以来，氧化物半导体功率器件在开发中存在衬底热导率较低的问题，而此项商榷扫尾标明，通过使器用有不凡散热性能的SiC，不错灵验克服这一瓶颈。此外，金子健太郎还受邀在会上发表了对于r-GeO2商榷后果偏激将来预测的专题禀报。

同庚11月16日，Patentix文书运用相通的制备法在4英寸Si晶圆上告捷酿成二氧化锗（GeO2）薄膜，2024年1月，Patentix文书立命馆大学、京皆大学、NIMS共同告捷开发r-GeO2基混晶半导体器件，这三项成就均为天下创举。

而2023年12月，日本企业Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成成本业务合营条约，规划在草津市内开设推行室，补助Patentix的研发责任，并磋议贯串GeO2外延晶圆的制造。揣测使用GeO2晶圆制造的拓荒将应用于电源、电动机、逆变器等，本年2月14日Patentix还文书与Qualtech合营遴荐PhantomSVD 法告捷在金刚石半导体上千里积氧化镓Ga2O?薄膜，进一步拓展了半导体的可能性。

不少东说念主会有趣，r-GeO2是怎么取代SiC的呢？

凭据Patentix先容，传统功率半导体中日常使用的硅（Si，带隙1.12eV）还是接近其物理极限，正隆重被带隙较宽的碳化硅（SiC，带隙3.3eV）和氮化镓（GaN）替代，连年马上普及的SiC比较硅具有约40%的节能效果。

而金红石型二氧化锗（r-GeO2）的带隙更大，达到4.6eV，因此r-GeO2表面上有望达成约90%的节能效果。此外，与具有访佛带隙的氧化镓（Ga2O3）比较，r-GeO2表面上能够通过杂质掺杂达成P型导电性，而这是氧化镓难以作念到的，因此r-GeO2被觉得在器件应用上领有更纷乱的后劲。

自然r-GeO2在这方面具有极端诱东说念主的物感性质，但此前由于很难坐蓐出高质料的单晶薄膜，因此它行为商榷成见并未引起日常宥恕。此外，通过掺杂杂质来限度半导体所必需的电导率的设施尚未建立，因此大范围半导体器件的开发也莫得赢得进展（杂质较少的半导体电导率极低，但通过添加被称为掺杂剂的极少杂质，电导率不错显耀提高。在半导体器件中，导电性受掺杂剂添加量的限度）。

据了解，Patentix公司此前还是通过在r-GeO2中引入供体型杂质，达成了1×101?至1×102? cm?3的高浓度N型掺杂（N+掺杂）。但要达成基于r-GeO2的半导体器件，要道在于供体浓度低于1×101? cm?3的N-层的制备，而在这次商榷之前，基于r-GeO2的半导体器件的启动考据尚未达成。

达成工夫打破

蜿蜒出咫尺了本年11月27日，Patentix防范文书，其告捷在N+型r-GeO2单晶膜上制备了供体浓度约为1×101? cm?3的N-型r-GeO2单晶膜。通过与日本国立商榷开发法东说念主物资·材料商榷机构（NIMS）的合营，初度达成了基于r-GeO2的肖特基势垒二极管（SBD）的启动考据。

推行中，Patentix公司开端在绝缘性TiO2基板上千里积了N+型r-GeO2单晶膜，随后在其上千里积N-型r-GeO2单晶膜。NIMS随后通过干法刻蚀工艺去除N-层，暴浮现N+层，并在其上千里积和酿成电极，从而构建了伪垂直结构的SBD（见图1）。最终，对其电流-电压秉性（I-V秉性）进行了评估。

图1：本次试制的r-GeO2伪垂直SBD结构默示图

测试扫尾标明，试制的r-GeO2 SBD能够正常责任，其ON/OFF比达到七个数目级，展现出致密的整流秉性。此外，通过电容-电压测量（C-V测量）分析N-层的供体杂质浓度，说明其约为1×101? cm?3（见图2）。

图2：r-GeO2 SBD的I-V秉性（左）与N-层杂质浓度测量扫尾（右）

这一后果是基于r-GeO2的半导体器件的大家初度考据，亦然Patentix公司以r-GeO2为材料助力达成碳中庸社会成见的紧迫一步。

Patentix走漏，基于这次后果，公司将进一步加快r-GeO2半导体器件的开发。自然本次试制的器件为伪垂直结构，下一步将勇猛于达成实在的垂直结构SBD。此外，公司还将连续努力莳植晶膜质料，并勇猛于达成P型导电性，以拓展半导体器件的应用范围。

伴跟着这次告捷考据，r-GeO2距离达成早期市集过问又近了一步。据了解，和Patentix合营的Quoltech规划到2027年提供用于拓荒原型的2英寸外延晶圆样品，并努力将量产的基板大小从4-6英寸扩大。

咫尺，以Patentix为中心，加入“琵琶湖半导体规划”的企业数目正在不断增多，该规划旨在达成GeO功率半导体早期买卖化。此外，Quoltech还规划最早于2024年在日本堺市地区建立"电力电子中心（暂命名）"新基地，揣测投资超5亿日元，以贯串功率半导体的可靠性评估责任。

此外，在汽车市聚积，Quoltech规划通过功率半导体为切入点，扩展到电动车特有部件的环境测试等其他可靠性评价工作的贯串，以此来扩大销售额。

从WBG到UWBG

咱们不错看到，恰是对动力拯救着力的不懈追求，才鼓励着半导体行业材料的迭代焕新，而它们带来的变化还是初步展浮现来，举例，念念要在不增多电板分量的情况下最大化电动车的续航里程，只需在主牵引逆变器中使用SiC MOSFET，即可平缓达成，莫得SiC器件，咱们可能很丢丑到单次充电续航超越600公里的电动车型。

不外，尽管WBG半导体工夫仍在供应商不断推出的新工夫代际和工艺校正中发展，但UWBG半导体材料也已初露线索，除了Patentix为代表的r-GeO2，还有更多的UWBG材料已在路上。

UWBG干系材料包括AlGaN/AlN、金刚石、立方氮化硼（c-BN）和氧化镓（β-Ga?O?）。这些材料的禁带宽度远高于GaN的3.4 eV（参见表1，其中也提供了其他物理参数）。此外，一些用于量化器件性能的绸缪跟着禁带宽度的增多呈非线性增长，这使得这些UWBG材料比较传统的WBG材料发达出显耀上风。

表 1：Si、WBG 和 UWBG 半导体的一些主要物理秉性

氮化铝 (AlN)是一种超宽带隙半导体材料，其秉性使其适用于多样高功率和热治理当用。AlN 的宽带隙频繁在 6 eV 范围内，使 AlN 器件能够在高电压和高温下责任，从而具有较低的走电流。它具有高导热性，使其适用于热治理当用，举例高功率电子拓荒的基板和 IC 的散热器。AlN 具有化学结识的结构，极端允洽在电力电子、汽车和航空航天工业等恶劣环境中使用。AlN 用于 GaN 基晶体管中 GaN 薄膜的外延助长。AlN 和 GaN 之间的晶格匹配有助于减少缺点，从而提高 AlN 基板上 GaN 薄膜的质料。

主要参与者方面，HexaTech（已被科锐收购）专注于高品性AlN单晶衬底，家具应用于深紫外LED和紫外探伤器，日本东京工业大学在AlN单晶助长工艺方面有打破性商榷，基于MOVPE工夫提高材料晶体质料，中国的华卓精科在AlN薄膜和基板加工上有一定工夫蕴蓄。

立方氮化硼 (c-BN) 是一种合成晶体材料，由硼和氮原子构成，罗列成立方晶格结构，访佛于金刚石中的碳原子。这种极其刚硬的材料具有很高的热结识性，在空气中可承受高达 1000 0 C 的温度，在惰性气体中可承受更高的温度。c-BN 的化学惰性使其允洽在恶劣的化学环境中使用。它具有高润滑性能，可减少切割和加工过程中的摩擦和磨损。自然立方氮化硼自己不是大功率电子系统中常用的半导体材料，但其独到的性能使其可用作基板、散热器和绝缘材料。

主要参与者方面，NEC开展了c-BN单晶外延和高频功率器件的前沿商榷，MIT探索了c-BN在深紫外光学和量子器件中的应用，而中国的清华大学和中科院半导体商榷所对c-BN薄膜和器件也有深远商榷。

三氧化镓 (Ga 2 O 3 )是一种由镓和氧原子构成的化合物。这种镓氧化物有几种晶体格式，其中 β-Ga 2 O 3是室温下最结识的化合物。其他晶体格式包括单斜 (α-Ga 2 O 3 ) 和立方相。这种氧化物具有宽的带隙，范围从 4.6 到 4.9 eV，具体取决于晶体格式。这种宽的带隙秉性使其适用于高功率、光电子学和紫外 (UV) 光子学应用。β-Ga 2 O 3具有最高的电子迁徙率，使其最允洽高功率电子拓荒，举例场效应晶体管。

主要参与者方面，日本Novel Crystal Technology在Ga?O?单晶衬底坐蓐中处于最初地位，供应买卖化晶圆，好意思国普渡大学商榷Ga?O?的高性能功率器件，包括横向和垂直器件，中国的苏州晶湛微电子和安特威Ga?O?团队，在自主研发与产业化布局方面进展马上。

钻石是一种超宽带隙材料，因为其带隙极端宽，为 5.5 eV。这个带隙值适用于自然钻石，而化学合成钻石的带隙值致使更大。钻石的宽带隙使其能够承受极端高的电场，允洽在高电压和高温下责任。钻石的优异导热性使电子拓荒能够高效散热。它不错承受高电压而不会发生电击穿，因此是高功率电子应用中的首选。钻石具有化学惰性和机械强度，使其能够在恶劣的环境条款下责任。

主要参与者方面，英国的Element Six在CVD钻石匠夫范围处于龙头地位，应用于功率电子和量子工夫，日本住友电工在高品性掺杂钻石薄膜制备和量子应用商榷方面赢得进展，而中国的金刚石半导体（南京）在钻石功率器件研发和产业化方面布局显着。

咫尺UWBG的商榷阶段不由让咱们联念念到了上世纪80年代GaN和SiC的早期发展，只不外如今的工夫早已有了寰宇长久般的变化。

就咫尺来看，UWBG工夫因其在高功率电子、光电子和量子工夫范围的后劲受到日常宥恕，但它发展仍濒临着很多不容和挑战，其不仅来自于材料自己的稀缺性和高成本，还包括复杂的制造工艺及器件集成中的难受。

举例，很多 UWBG 材料（如金刚石和立方氮化硼）自己较为独特，且制备高质料的单晶材料需要崇高的拓荒和耗材。即等于相对锻练的材料如三氧化二镓（Ga?O?），其单晶助长和大面积晶圆制造的成本依然显耀高于传统半导体材料。这种材料可用性和成本的松手，使得使用 UWBG 材料进行大范围坐蓐电子拓荒成为一项蒙眬的任务，同期制约了工夫的普及。

此外，UWBG 半导体的制造需要高度专科化的工艺，包括单晶助长、材料加工及掺杂工夫。这些工艺频繁波及复杂的经由和特地拓荒。举例，化学气相千里积（CVD）工夫自然在金刚石薄膜制备中日常应用，但其对工艺条款要求尖酸，且穷乏大面积均匀千里积的成本效益。此外，UWBG 材料固有的化学和物理结识性进一步增多了加工难度，举例立方氮化硼在加工过程中极易产生缺点，影响器件性能。

另外，UWBG 材料与传统硅基工夫的集成也濒临显耀挑战。由于晶体结构、热扩张扫数及名义秉性的互异，UWBG 器件难以平直与现存的半导体工艺兼容。这种不匹配不仅可能导致器件性能着落，还会对封装可靠性产生不利影响。因此，开发创新的器件集成和封装惩办有绸缪成为 UWBG 工夫迈向实用化的要道。

UWBG 材料的宽带隙和高化学结识性对掺杂限度也提议了庞大挑战。在这些材料中达成均匀、结识且可重叠的掺杂散布需要克服固有的物理和化学紧闭，这平直影响到器件的导电性和载流子迁徙率。此外，掺杂难受对性能优化和器件可靠性提议更高要求，咫尺仍是 UWBG 材料应用商榷的重心范围之一。

临了，由于材料成本和制造复杂性，UWBG 器件的坐蓐成本比WBG器件还要跨越不少，这对其大范围买卖化酿成了显耀紧闭。尽管 UWBG 工夫在性能上的上风使其在高端市集具备竞争力，但在更日常的市聚积，其高成本松手了其应用范围。因此，开发成本效益更高的坐蓐工艺、提高制造着力，是将来达成 UWBG 工夫普及的要道成见。

对于功率半导体行业来说，咫尺WBG仍然是主要发展成见，但UWBG的发展速率还是远超当初的WBG，好像在将来几年时刻里，诸如r-GeO2这么先进UWBG会防范登上舞台，再度为半导体行业带来一场材料的更正。

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