（原标题：SiC继任者，横空出世！）

淌若您但愿不错时常碰头，宽贷标星储藏哦~

频年来，半导体行业正在悄然发生一场创新，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）在多个范围渐渐取代了传统的硅。

这些材料在畴昔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吹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伏击扮装。

但半导体行业并未振作于此，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，它们的特有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特有光学性能。

值得慈祥的是，不少日本厂商有志于不才一代功率半导体材料上发力，以至也曾有日本厂商也曾崇拜推出了自研的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，立命馆大学科学工夫接洽机构莳植兼RARA接洽员金子健太郎（Kentaro Kaneko）担任了Patentix连合首创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见效协作，此前也曾初度活着界范围内诈欺“幻影空间蒸气千里积法（Phantom SVD）”兑现了下一代半导体材料——r-GeO2薄膜在SiC上的助长。

这一接洽遵循已于2023年9月，在波兰华沙举行的欧洲最大材料接洽学会（European Materials Research Society, E-MRS）秋季会议上发布，恒久以来，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，而此项接洽终结标明，通过使器用有不凡散热性能的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接洽遵循额外翌日预测的专题评释。

同庚11月16日，Patentix秘书诈欺相同的制备法在4英寸Si晶圆上见效造成二氧化锗（GeO2）薄膜，2024年1月，Patentix秘书立命馆大学、京皆大学、NIMS共同见效开发r-GeO2基混晶半导体器件，这三项树立均为寰球始创。

而2023年12月，日本企业Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成成本业务协作合同，权术在草津市内开设本质室，复古Patentix的研发职责，并筹商邻接GeO2外延晶圆的制造。测度使用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还秘书与Qualtech协作接纳PhantomSVD 法见效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是若何取代SiC的呢？

凭证Patentix先容，传统功率半导体中无为使用的硅（Si，带隙1.12eV）也曾接近其物理极限，正缓缓被带隙较宽的碳化硅（SiC，带隙3.3eV）和氮化镓（GaN）替代，频年飞快普及的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表面上有望兑现约90%的节能效果。此外，与具有肖似带隙的氧化镓（Ga2O3）比较，r-GeO2表面上能够通过杂质掺杂兑现P型导电性，而这是氧化镓难以作念到的，因此r-GeO2被以为在器件应用上领有更繁多的后劲。

固然r-GeO2在这方面具有至极诱东说念主的物感性质，但此前由于很难坐褥出高质料的单晶薄膜，因此它算作接洽成见并未引起无为慈祥。此外，通过掺杂杂质来阻挡半导体所必需的电导率的要领尚未确立，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一丝杂质，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阻挡）。

据了解，Patentix公司此前也曾通过在r-GeO2中引入供体型杂质，兑现了1×101?至1×102? cm?3的高浓度N型掺杂（N+掺杂）。但要兑现基于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，而在这次接洽之前，基于r-GeO2的半导体器件的开动考证尚未兑现。

兑现工夫壅塞

转机出当今了本年11月27日，Patentix崇拜秘书，其见效在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。通过与日本国立接洽开发法东说念主物资·材料接洽机构（NIMS）的协作，初度兑现了基于r-GeO2的肖特基势垒二极管（SBD）的开动考证。

本质中，Patentix公司首先在绝缘性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，暴涌现N+层，并在其上千里积和造成电极，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结构暗示图

测试终结标明，试制的r-GeO2 SBD能够平时职责，其ON/OFF比达到七个数目级，展现出邃密的整流秉性。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，阐明其约为1×101? cm?3（见图2）。

图2：r-GeO2 SBD的I-V秉性（左）与N-层杂质浓度测量终结（右）

这一遵循是基于r-GeO2的半导体器件的大家初度考证，亦然Patentix公司以r-GeO2为材料助力兑现碳中庸社会成见的伏击一步。

Patentix涌现，基于这次遵循，公司将进一步加快r-GeO2半导体器件的开发。固然本次试制的器件为伪垂直结构，下一步将竭力于兑现着实的垂直结构SBD。此外，公司还将不时奋力进步晶膜质料，并竭力于兑现P型导电性，以拓展半导体器件的应用范围。

伴跟着这次见效考证，r-GeO2距离兑现早期市集干与又近了一步。据了解，和Patentix协作的Quoltech权术到2027年提供用于开辟原型的2英寸外延晶圆样品，并奋力将量产的基板大小从4-6英寸扩大。

当前，以Patentix为中心，加入“琵琶湖半导体权术”的企业数目正在约束增多，该权术旨在兑现GeO功率半导体早期生意化。此外，Quoltech还权术最早于2024年在日本堺市地区缔造"电力电子中心（暂命名）"新基地，测度投资超5亿日元，以邻接功率半导体的可靠性评估职责。

此外，在汽车市荟萃，Quoltech权术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做事的邻接，以此来扩大销售额。

从WBG到UWBG

咱们不错看到，恰是对动力革新遵循的不懈追求，才鼓吹着半导体行业材料的迭代焕新，而它们带来的变化也曾初步展涌现来，举例，思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，即可毁坏兑现，莫得SiC器件，咱们可能很出丑到单次充电续航越过600公里的电动车型。

不外，尽管WBG半导体工夫仍在供应商约束推出的新工夫代际和工艺矫正中发展，但UWBG半导体材料也已初露脉络，除了Patentix为代表的r-GeO2，还有更多的UWBG材料已在路上。

UWBG相干材料包括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缱绻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材料发达出显赫上风。

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，其秉性使其适用于各式高功率和热照管应用。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，使其适用于热照管应用，举例高功率电子开辟的基板和 IC 的散热器。AlN 具有化学领略的结构，至极合乎在电力电子、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时弊，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，居品应用于深紫外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壅塞性接洽，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，成列成立方晶格结构，肖似于金刚石中的碳原子。这种极其鉴定的材料具有很高的热领略性，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 的化学惰性使其合乎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。固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，但其特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接洽，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接洽所对c-BN薄膜和器件也有久了接洽。

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款式，其中 β-Ga 2 O 3是室温下最领略的化合物。其他晶体款式包括单斜 (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，具体取决于晶体款式。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具有最高的电子移动率，使其最合乎高功率电子开辟，举例场效应晶体管。

主要参与者方面，日本Novel Crystal Technology在Ga?O?单晶衬底坐褥中处于首先地位，供应生意化晶圆，好意思国普渡大学接洽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飞快。

钻石是一种超宽带隙材料，因为其带隙至极宽，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至更大。钻石的宽带隙使其能够承受至极高的电场，合乎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条款下职责。

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接洽方面获取进展，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昭彰。

当前UWBG的接洽阶段不由让咱们联思到了上世纪80年代GaN和SiC的早期发展，只不外如今的工夫早已有了回山倒海般的变化。

就当前来看，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无为慈祥，但它发展仍濒临着好多艰苦和挑战，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题。

举例，好多 UWBG 材料（如金刚石和立方氮化硼）自己较为调度，且制备高质料的单晶材料需要奋斗的开辟和耗材。即就是相对熟识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赫高于传统半导体材料。这种材料可用性和成本的适度，使得使用 UWBG 材料进行大范围坐褥电子开辟成为一项艰巨的任务，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。这些工艺频繁触及复杂的经过和极度开辟。举例，化学气相千里积（CVD）工夫固然在金刚石薄膜制备中无为应用，但其对工艺条款要求暴戾，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略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时弊，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赫挑战。由于晶体结构、热扩张扫数及名义秉性的各异，UWBG 器件难以径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处决策成为 UWBG 工夫迈向实用化的关节。

UWBG 材料的宽带隙和高化学领略性对掺杂阻挡也建议了重大挑战。在这些材料中兑现均匀、领略且可重迭的掺杂散布需要克服固有的物理和化学艰苦，这径直影响到器件的导电性和载流子移动率。此外，掺杂难题对性能优化和器件可靠性建议更高要求，当前仍是 UWBG 材料应用接洽的重心范围之一。

临了，由于材料成本和制造复杂性，UWBG 器件的坐褥成本比WBG器件还要越过不少，这对其大范围生意化造成了显赫艰苦。尽管 UWBG 工夫在性能上的上风使其在高端市集具备竞争力，但在更无为的市荟萃，其高成本适度了其应用范围。因此，开发成本效益更高的坐褥工艺、提高制造遵循，是翌日兑现 UWBG 工夫普及的关节成见。

对于功率半导体行业来说，当前WBG仍然是主要发展成见，但UWBG的发展速率也曾远超当初的WBG，概况在翌日几年时刻里，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创新。

半导体极品公众号推选

专注半导体范围更多原创实质

慈祥大家半导体产业动向与趋势

*免责声明：本文由作家原创。著述实质系作家个东说念主不雅点，半导体行业不雅察转载仅为了传达一种不同的不雅点，不代表半导体行业不雅察对该不雅点赞同或复古，淌若有任何异议，欢理睬洽半导体行业不雅察。

今天是《半导体行业不雅察》为您共享的第3963期实质，宽贷慈祥。

『半导体第一垂直媒体』

及时 专科 原创 深度

公众号ID：icbank

心爱咱们的实质就点“在看”共享给小伙伴哦J9体育网