老色哥首发 SiC继任者，横空出世！

（原标题：SiC继任者老色哥首发，横空出世！）

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连年来，半导体行业正在悄然发生一场翻新，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）在多个界限逐步取代了传统的硅。

这些材料在往时几年时代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）组件和功率器件等界限，其中SiC更是在加快电动化和鼓舞新动力汽车普及方面起到了关节作用，而GaN也在AI数据中心的发展中饰演了遑急变装。

但半导体行业并未称心于此，愈加超前的超宽禁带（UWBG）材料已然在路上，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，它们的私有特质包括更高的耐高温性、更好的功率品级，以及某些材料弘扬出的私有光学性能。

值得关心的是，不少日本厂商有志于鄙人一代功率半导体材料上发力，以致依然有日本厂商依然崇拜推出了自研的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，立命馆大学科学时刻照应机构陶冶兼RARA照应员金子健太郎（Kentaro Kaneko）担任了Patentix纠合首创东谈主兼首席时刻官（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成功配合，此前依然初次辞寰宇范围内诳骗“幻影空间蒸气千里积法（Phantom SVD）”终澄莹下一代半导体材料——r-GeO2薄膜在SiC上的滋长。

这一照应效果已于2023年9月，在波兰华沙举行的欧洲最大材料照应学会（European Materials Research Society， E-MRS）秋季会议上发布，长久以来，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，而此项照应收尾标明，通过使器具有不凡散热性能的SiC，不错有用克服这一瓶颈。此外，金子健太郎还受邀在会上发表了对于r-GeO2照应效果偏激将来瞻望的专题诠释。

同庚11月16日，Patentix通告诳骗雷同的制备法在4英寸Si晶圆上成功变成二氧化锗（GeO2）薄膜，2024年1月，Patentix通告立命馆大学、京王人大学、NIMS共同成功开发r-GeO2基混晶半导体器件，这三项建设均为寰宇草创。

而2023年12月，日本企业Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成成本业务配合公约，野心在草津市内开设实验室，救助Patentix的研发职责，并探究说合GeO2外延晶圆的制造。揣度使用GeO2晶圆制造的开辟将应用于电源、电动机、逆变器等，本年2月14日Patentix还通告与Qualtech配合礼聘PhantomSVD 法成功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。

不少东谈主会有趣，r-GeO2是怎么取代SiC的呢？

左证Patentix先容，传统功率半导体中平庸使用的硅（Si，带隙1.12eV）依然接近其物理极限，正逐步被带隙较宽的碳化硅（SiC，带隙3.3eV）和氮化镓（GaN）替代，连年连忙普及的SiC比拟硅具有约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表面上有望终了约90%的节能效果。此外，与具有近似带隙的氧化镓（Ga2O3）比拟，r-GeO2表面上能够通过杂质掺杂终了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庞杂的后劲。

自然r-GeO2在这方面具有很是诱东谈主的物感性质，但此前由于很难坐蓐出高质料的单晶薄膜，因此它手脚照应方针并未引起平庸关心。此外，通过掺杂杂质来抑制半导体所必需的电导率的步伐尚未缔造，因此大范围半导体器件的开发也莫得获取进展（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小数杂质，电导率不错显赫提高。在半导体器件中，导电性受掺杂剂添加量的抑制）。

据了解，Patentix公司此前依然通过在r-GeO2中引入供体型杂质，终澄莹1×101?至1×102? cm?3的高浓度N型掺杂（N+掺杂）。但要终了基于r-GeO2的半导体器件，关节在于供体浓度低于1×101? cm?3的N-层的制备，而在这次照应之前，基于r-GeO2的半导体器件的启动考证尚未终了。

终了时刻冲突

转念出当今了本年11月27日，Patentix崇拜通告，其成功在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。通过与日本国立照应开发法东谈主物资·材料照应机构（NIMS）的配合，初次终澄莹基于r-GeO2的肖特基势垒二极管（SBD）的启动考证。

实验中，Patentix公司起先在绝缘性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，并在其上千里积和变成电极，从而构建了伪垂直结构的SBD（见图1）。最终，对其电流-电压脾气（I-V脾气）进行了评估。

图1：本次试制的r-GeO2伪垂直SBD结构暗示图

测试收尾标明，试制的r-GeO2 SBD能够平素职责，其ON/OFF比达到七个数目级，展现出精粹的整流脾气。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，阐述其约为1×101? cm?3（见图2）。

图2：r-GeO2 SBD的I-V脾气（左）与N-层杂质浓度测量收尾（右）

这一效果是基于r-GeO2的半导体器件的群众初次考证，亦然Patentix公司以r-GeO2为材料助力终了碳中庸社会方针的遑急一步。

Patentix露出，基于这次效果，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，下一步将致力于终了信得过的垂直结构SBD。此外，公司还将赓续发愤栽培晶膜质料，并致力于终了P型导电性，以拓展半导体器件的应用范围。

伴跟着这次成功考证，r-GeO2距离终了早期阛阓参加又近了一步。据了解，和Patentix配合的Quoltech野心到2027年提供用于开辟原型的2英寸外延晶圆样品，并发愤将量产的基板大小从4-6英寸扩大。

目下，以Patentix为中心，加入“琵琶湖半导体野心”的企业数目正在握住加多，该野心旨在终了GeO功率半导体早期交易化。此外，Quoltech还野心最早于2024年在日本堺市地区开辟"电力电子中心（暂命名）"新基地，揣度投资超5亿日元，以说合功率半导体的可靠性评估职责。

此外，在汽车阛阓中，Quoltech野心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说合，以此来扩大销售额。

从WBG到UWBG

咱们不错看到，恰是对动力养息服从的不懈追求，才鼓舞着半导体行业材料的迭代焕新，而它们带来的变化依然初步展浮现来，举例，念念要在不加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，即可简短终了，莫得SiC器件，咱们可能很丢丑到单次充电续航卓著600公里的电动车型。

不外，尽管WBG半导体时刻仍在供应商握住推出的新时刻代际和工艺矫正中发展，但UWBG半导体材料也已初露头绪，除了Patentix为代表的r-GeO2，还有更多的UWBG材料已在路上。

UWBG筹办材料包括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料想跟着禁带宽度的加多呈非线性增长，这使得这些UWBG材料比拟传统的WBG材料弘扬出显赫上风。

表 1：Si、WBG 和 UWBG 半导体的一些主要物理脾气

氮化铝 (AlN)是一种超宽带隙半导体材料，其脾气使其适用于各式高功率和热治理当用。AlN 的宽带隙时时在 6 eV 范围内，使 AlN 器件能够在高电压和高温下职责，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，举例高功率电子开辟的基板和 IC 的散热器。AlN 具有化学领悟的结构，很是适合在电力电子、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 薄膜的外延滋长。AlN 和 GaN 之间的晶格匹配有助于减少残障，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单晶滋长工艺方面有冲突性照应，基于MOVPE时刻提高材料晶体质料，中国的华卓精科在AlN薄膜和基板加工上有一定时刻荟萃。

立方氮化硼 (c-BN) 是一种合成晶体材料，由硼和氮原子构成，胪列成立方晶格结构，近似于金刚石中的碳原子。这种极其坚贞的材料具有很高的热领悟性，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 的化学惰性使其适合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。自然立方氮化硼本人不是大功率电子系统中常用的半导体材料，但其私有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照应，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照应所对c-BN薄膜和器件也有深切照应。

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体式，其中 β-Ga 2 O 3是室温下最领悟的化合物。其他晶体体式包括单斜 (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，具体取决于晶体体式。这种宽的带隙脾气使其适用于高功率、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，使其最适合高功率电子开辟，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，供应交易化晶圆，好意思国普渡大学照应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连忙。

钻石是一种超宽带隙材料，因为其带隙很是宽，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以致更大。钻石的宽带隙使其能够承受很是高的电场，适合在高电压和高温下职责。钻石的优异导热性使电子开辟能够高效散热。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要求下职责。

主要参与者方面，英国的Element Six在CVD钻石时刻界限处于龙头地位，应用于功率电子和量子时刻，日本住友电工在高品性掺杂钻石薄膜制备和量子应用照应方面获取进展，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明白。

目下UWBG的照应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，只不外如今的时刻早已有了揭地掀天般的变化。

就目下来看，UWBG时刻因其在高功率电子、光电子和量子时刻界限的后劲受到平庸关心，但它发展仍濒临着很多防碍和挑战，其不仅来自于材料本人的稀缺性和高成本，还包括复杂的制造工艺及器件集成中的难题。

举例，很多 UWBG 材料（如金刚石和立方氮化硼）本人较为珍稀，且制备高质料的单晶材料需要腾贵的开辟和耗材。即即是相对熟悉的材料如三氧化二镓（Ga?O?），其单晶滋长和大面积晶圆制造的成本依然显赫高于传统半导体材料。这种材料可用性和成本的抑制，使得使用 UWBG 材料进行大范围坐蓐电子开辟成为一项贫乏的任务，同期制约了时刻的普及。

此外，UWBG 半导体的制造需要高度专科化的工艺，包括单晶滋长、材料加工及掺杂时刻。这些工艺时时触及复杂的经由和专诚开辟。举例，化学气相千里积（CVD）时刻自然在金刚石薄膜制备中平庸应用，但其对工艺要求要求残忍，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领悟性进一步加多了加工难度，举例立方氮化硼在加工过程中极易产生残障，影响器件性能。

另外，UWBG 材料与传统硅基时刻的集成也濒临显赫挑战。由于晶体结构、热推广统共及名义脾气的各异，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下跌，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科罚决议成为 UWBG 时刻迈向实用化的关节。

UWBG 材料的宽带隙和高化学领悟性对掺杂抑制也忽视了庞杂挑战。在这些材料中终了均匀、领悟且可重叠的掺杂别离需要克服固有的物理和化学保密，这平直影响到器件的导电性和载流子迁徙率。此外，掺杂难题对性能优化和器件可靠性忽视更高要求，目下仍是 UWBG 材料应用照应的要点界限之一。

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，这对其大范围交易化变成了显赫保密。尽管 UWBG 时刻在性能上的上风使其在高端阛阓具备竞争力，但在更平庸的阛阓中，其高成本抑制了其应用范围。因此，开发成本效益更高的坐蓐工艺、提高制造服从，是将来终了 UWBG 时刻普及的关节场所。

对于功率半导体行业来说，目下WBG仍然是主要发展场所，但UWBG的发展速率依然远超当初的WBG，或者在将来几年时代里，诸如r-GeO2这么先进UWBG会崇拜登上舞台，再度为半导体行业带来一场材料的翻新。

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