編者按：本文來自微信公眾號(hào) 半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank），作者：邵逸琦，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。

近年來，半導(dǎo)體行業(yè)正在悄然發(fā)生一場(chǎng)革命，砷化鎵（GaAs），以及更為先進(jìn)的寬禁帶材料（如碳化硅SiC和氮化鎵GaN）在多個(gè)領(lǐng)域逐漸取代了傳統(tǒng)的硅。

這些材料在過去幾年時(shí)間中成為了功率半導(dǎo)體行業(yè)的大熱，它們的應(yīng)用包括LED、射頻（RF）組件和功率器件等領(lǐng)域，其中SiC更是在加速電動(dòng)化和推動(dòng)新能源汽車普及方面起到了關(guān)鍵作用，而GaN也在AI數(shù)據(jù)中心的發(fā)展中扮演了重要角色。

但半導(dǎo)體行業(yè)并未滿足于此，更加超前的超寬禁帶（UWBG）材料已然在路上，這些材料的禁帶寬度遠(yuǎn)高于GaN（3.4 eV）和SiC（3.2 eV），被視為半導(dǎo)體的新前沿，它們的獨(dú)特特點(diǎn)包括更高的耐高溫性、更好的功率等級(jí)，以及某些材料表現(xiàn)出的獨(dú)特光學(xué)性能。

值得關(guān)注的是，不少日本廠商有志于在下一代功率半導(dǎo)體材料上發(fā)力，甚至已經(jīng)有日本廠商已經(jīng)正式推出了自研的UWBG材料。

取代SiC？

2022年12月成立的日本公司Patentix正是這一故事的主角，這是一家源自立命館大學(xué)的半導(dǎo)體深科技創(chuàng)業(yè)公司，立命館大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)教授兼RARA研究員金子健太郎（Kentaro Kaneko）擔(dān)任了Patentix聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官（CTO），在他的主導(dǎo)下，Patentix開發(fā)了全新的功率半導(dǎo)體材料r-GeO2（金紅石型二氧化鍺），其專注于r-GeO2半導(dǎo)體襯底和功率器件的研發(fā)。

據(jù)了解，立命館大學(xué)和Patentix成功合作，此前已經(jīng)首次在世界范圍內(nèi)利用“幻影空間蒸氣沉積法（Phantom SVD）”實(shí)現(xiàn)了下一代半導(dǎo)體材料——r-GeO2薄膜在SiC上的生長(zhǎng)。

這一研究成果已于2023年9月，在波蘭華沙舉行的歐洲最大材料研究學(xué)會(huì)（European Materials Research Society, E-MRS）秋季會(huì)議上發(fā)布，長(zhǎng)期以來，氧化物半導(dǎo)體功率器件在開發(fā)中存在襯底熱導(dǎo)率較低的問題，而此項(xiàng)研究結(jié)果表明，通過使用具有卓越散熱性能的SiC，可以有效克服這一瓶頸。此外，金子健太郎還受邀在會(huì)上發(fā)表了關(guān)于r-GeO2研究成果及其未來展望的專題報(bào)告。

同年11月16日，Patentix宣布利用同樣的制備法在4英寸Si晶圓上成功形成二氧化鍺（GeO2）薄膜，2024年1月，Patentix宣布立命館大學(xué)、京都大學(xué)、NIMS共同成功開發(fā)r-GeO2基混晶半導(dǎo)體器件，這三項(xiàng)成就均為世界首創(chuàng)。

而2023年12月，日本企業(yè)Qualtech向Patentix投資5000萬日元，并達(dá)成資本業(yè)務(wù)合作協(xié)議，計(jì)劃在草津市內(nèi)開設(shè)實(shí)驗(yàn)室，支持Patentix的研發(fā)工作，并考慮承接GeO2外延晶圓的制造。預(yù)計(jì)使用GeO2晶圓制造的設(shè)備將應(yīng)用于電源、電動(dòng)機(jī)、逆變器等，今年2月14日Patentix還宣布與Qualtech合作采用PhantomSVD 法成功在金剛石半導(dǎo)體上沉積氧化鎵Ga2O?薄膜，進(jìn)一步拓展了半導(dǎo)體的可能性。

不少人會(huì)好奇，r-GeO2是怎么取代SiC的呢？

根據(jù)Patentix介紹，傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體中廣泛使用的硅（Si，帶隙1.12eV）已經(jīng)接近其物理極限，正逐步被帶隙較寬的碳化硅（SiC，帶隙3.3eV）和氮化鎵（GaN）替代，近年迅速普及的SiC相比硅具有約40%的節(jié)能效果。

而金紅石型二氧化鍺（r-GeO2）的帶隙更大，達(dá)到4.6eV，因此r-GeO2理論上有望實(shí)現(xiàn)約90%的節(jié)能效果。此外，與具有類似帶隙的氧化鎵（Ga2O3）相比，r-GeO2理論上能夠通過雜質(zhì)摻雜實(shí)現(xiàn)P型導(dǎo)電性，而這是氧化鎵難以做到的，因此r-GeO2被認(rèn)為在器件應(yīng)用上擁有更廣闊的潛力。

雖然r-GeO2在這方面具有非常誘人的物理性質(zhì)，但此前由于很難生產(chǎn)出高質(zhì)量的單晶薄膜，因此它作為研究目標(biāo)并未引起廣泛關(guān)注。此外，通過摻雜雜質(zhì)來控制半導(dǎo)體所必需的電導(dǎo)率的方法尚未確立，因此大規(guī)模半導(dǎo)體器件的開發(fā)也沒有取得進(jìn)展（雜質(zhì)較少的半導(dǎo)體電導(dǎo)率極低，但通過添加被稱為摻雜劑的少量雜質(zhì)，電導(dǎo)率可以顯著提高。在半導(dǎo)體器件中，導(dǎo)電性受摻雜劑添加量的控制）。

據(jù)了解，Patentix公司此前已經(jīng)通過在r-GeO2中引入供體型雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了1×101?至1×102? cm?3的高濃度N型摻雜（N+摻雜）。但要實(shí)現(xiàn)基于r-GeO2的半導(dǎo)體器件，關(guān)鍵在于供體濃度低于1×101? cm?3的N-層的制備，而在此次研究之前，基于r-GeO2的半導(dǎo)體器件的運(yùn)行驗(yàn)證尚未實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破

轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在了今年11月27日，Patentix正式宣布，其成功在N+型r-GeO2單晶膜上制備了供體濃度約為1×101? cm?3的N-型r-GeO2單晶膜。通過與日本國(guó)立研究開發(fā)法人物質(zhì)·材料研究機(jī)構(gòu)（NIMS）的合作，首次實(shí)現(xiàn)了基于r-GeO2的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的運(yùn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中，Patentix公司首先在絕緣性TiO2基板上沉積了N+型r-GeO2單晶膜，隨后在其上沉積N-型r-GeO2單晶膜。NIMS隨后通過干法刻蝕工藝去除N-層，暴露出N+層，并在其上沉積和形成電極，從而構(gòu)建了偽垂直結(jié)構(gòu)的SBD（見圖1）。最終，對(duì)其電流-電壓特性（I-V特性）進(jìn)行了評(píng)估。

圖1：本次試制的r-GeO2偽垂直SBD結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)試結(jié)果表明，試制的r-GeO2 SBD能夠正常工作，其ON/OFF比達(dá)到七個(gè)數(shù)量級(jí)，展現(xiàn)出良好的整流特性。此外，通過電容-電壓測(cè)量（C-V測(cè)量）分析N-層的供體雜質(zhì)濃度，確認(rèn)其約為1×101? cm?3（見圖2）。

圖2：r-GeO2 SBD的I-V特性（左）與N-層雜質(zhì)濃度測(cè)量結(jié)果（右）

這一成果是基于r-GeO2的半導(dǎo)體器件的全球首次驗(yàn)證，也是Patentix公司以r-GeO2為材料助力實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)目標(biāo)的重要一步。

Patentix表示，基于此次成果，公司將進(jìn)一步加速r-GeO2半導(dǎo)體器件的開發(fā)。雖然本次試制的器件為偽垂直結(jié)構(gòu)，下一步將致力于實(shí)現(xiàn)真正的垂直結(jié)構(gòu)SBD。此外，公司還將繼續(xù)努力提升晶膜質(zhì)量，并致力于實(shí)現(xiàn)P型導(dǎo)電性，以拓展半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍。

伴隨著此次成功驗(yàn)證，r-GeO2距離實(shí)現(xiàn)早期市場(chǎng)投入又近了一步。據(jù)了解，和Patentix合作的Quoltech計(jì)劃到2027年提供用于設(shè)備原型的2英寸外延晶圓樣品，并努力將量產(chǎn)的基板大小從4-6英寸擴(kuò)大。

目前，以Patentix為中心，加入“琵琶湖半導(dǎo)體計(jì)劃”的企業(yè)數(shù)量正在不斷增加，該計(jì)劃旨在實(shí)現(xiàn)GeO功率半導(dǎo)體早期商業(yè)化。此外，Quoltech還計(jì)劃最早于2024年在日本堺市地區(qū)建設(shè)"電力電子中心（暫定名）"新基地，預(yù)計(jì)投資超5億日元，以承接功率半導(dǎo)體的可靠性評(píng)估工作。

此外，在汽車市場(chǎng)中，Quoltech計(jì)劃通過功率半導(dǎo)體為切入點(diǎn)，擴(kuò)展到電動(dòng)車特有部件的環(huán)境測(cè)試等其他可靠性評(píng)價(jià)服務(wù)的承接，以此來擴(kuò)大銷售額。

從WBG到UWBG

我們可以看到，正是對(duì)能源轉(zhuǎn)換效率的不懈追求，才推動(dòng)著半導(dǎo)體行業(yè)材料的迭代煥新，而它們帶來的變化已經(jīng)初步展露出來，例如，想要在不增加電池重量的情況下最大化電動(dòng)車的續(xù)航里程，只需在主牽引逆變器中使用SiC MOSFET，即可輕松實(shí)現(xiàn)，沒有SiC器件，我們可能很難看到單次充電續(xù)航超過600公里的電動(dòng)車型。

不過，盡管WBG半導(dǎo)體技術(shù)仍在供應(yīng)商不斷推出的新技術(shù)代際和工藝改進(jìn)中發(fā)展，但UWBG半導(dǎo)體材料也已初露端倪，除了Patentix為代表的r-GeO2，還有更多的UWBG材料已在路上。

UWBG相關(guān)材料包括AlGaN/AlN、金剛石、立方氮化硼（c-BN）和氧化鎵（β-Ga?O?）。這些材料的禁帶寬度遠(yuǎn)高于GaN的3.4 eV（參見表1，其中也提供了其他物理參數(shù)）。此外，一些用于量化器件性能的指標(biāo)隨著禁帶寬度的增加呈非線性增長(zhǎng)，這使得這些UWBG材料相比傳統(tǒng)的WBG材料表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

表 1：Si、WBG 和 UWBG 半導(dǎo)體的一些主要物理特性

氮化鋁 (AlN)是一種超寬帶隙半導(dǎo)體材料，其特性使其適用于各種高功率和熱管理應(yīng)用。AlN 的寬帶隙通常在 6 eV 范圍內(nèi)，使 AlN 器件能夠在高電壓和高溫下工作，從而具有較低的漏電流。它具有高導(dǎo)熱性，使其適用于熱管理應(yīng)用，例如高功率電子設(shè)備的基板和 IC 的散熱器。AlN 具有化學(xué)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，非常適合在電力電子、汽車和航空航天工業(yè)等惡劣環(huán)境中使用。AlN 用于 GaN 基晶體管中 GaN 薄膜的外延生長(zhǎng)。AlN 和 GaN 之間的晶格匹配有助于減少缺陷，從而提高 AlN 基板上 GaN 薄膜的質(zhì)量。

主要參與者方面，HexaTech（已被科銳收購）專注于高品質(zhì)AlN單晶襯底，產(chǎn)品應(yīng)用于深紫外LED和紫外探測(cè)器，日本東京工業(yè)大學(xué)在AlN單晶生長(zhǎng)工藝方面有突破性研究，基于MOVPE技術(shù)提高材料晶體質(zhì)量，中國(guó)的華卓精科在AlN薄膜和基板加工上有一定技術(shù)積累。

立方氮化硼 (c-BN) 是一種合成晶體材料，由硼和氮原子組成，排列成立方晶格結(jié)構(gòu)，類似于金剛石中的碳原子。這種極其堅(jiān)硬的材料具有很高的熱穩(wěn)定性，在空氣中可承受高達(dá) 1000 0 C 的溫度，在惰性氣體中可承受更高的溫度。c-BN 的化學(xué)惰性使其適合在惡劣的化學(xué)環(huán)境中使用。它具有高潤(rùn)滑性能，可減少切割和加工過程中的摩擦和磨損。雖然立方氮化硼本身不是大功率電子系統(tǒng)中常用的半導(dǎo)體材料，但其獨(dú)特的性能使其可用作基板、散熱器和絕緣材料。

主要參與者方面，NEC開展了c-BN單晶外延和高頻功率器件的前沿研究，MIT探索了c-BN在深紫外光學(xué)和量子器件中的應(yīng)用，而中國(guó)的清華大學(xué)和中科院半導(dǎo)體研究所對(duì)c-BN薄膜和器件也有深入研究。

三氧化鎵 (Ga 2 O 3 )是一種由鎵和氧原子組成的化合物。這種鎵氧化物有幾種晶體形式，其中 β-Ga 2 O 3是室溫下最穩(wěn)定的化合物。其他晶體形式包括單斜 (α-Ga 2 O 3 ) 和立方相。這種氧化物具有寬的帶隙，范圍從 4.6 到 4.9 eV，具體取決于晶體形式。這種寬的帶隙特性使其適用于高功率、光電子學(xué)和紫外 (UV) 光子學(xué)應(yīng)用。β-Ga 2 O 3具有最高的電子遷移率，使其最適合高功率電子設(shè)備，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

主要參與者方面，日本Novel Crystal Technology在Ga?O?單晶襯底生產(chǎn)中處于領(lǐng)先地位，供應(yīng)商業(yè)化晶圓，美國(guó)普渡大學(xué)研究Ga?O?的高性能功率器件，包括橫向和垂直器件，中國(guó)的蘇州晶湛微電子和安特威Ga?O?團(tuán)隊(duì)，在自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化布局方面進(jìn)展迅速。

鉆石是一種超寬帶隙材料，因?yàn)槠鋷斗浅?，?5.5 eV。這個(gè)帶隙值適用于天然鉆石，而化學(xué)合成鉆石的帶隙值甚至更大。鉆石的寬帶隙使其能夠承受非常高的電場(chǎng)，適合在高電壓和高溫下工作。鉆石的優(yōu)異導(dǎo)熱性使電子設(shè)備能夠高效散熱。它可以承受高電壓而不會(huì)發(fā)生電擊穿，因此是高功率電子應(yīng)用中的首選。鉆石具有化學(xué)惰性和機(jī)械強(qiáng)度，使其能夠在惡劣的環(huán)境條件下工作。

主要參與者方面，英國(guó)的Element Six在CVD鉆石技術(shù)領(lǐng)域處于龍頭地位，應(yīng)用于功率電子和量子技術(shù)，日本住友電工在高品質(zhì)摻雜鉆石薄膜制備和量子應(yīng)用研究方面取得進(jìn)展，而中國(guó)的金剛石半導(dǎo)體（南京）在鉆石功率器件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面布局明顯。

目前UWBG的研究階段不由讓我們聯(lián)想到了上世紀(jì)80年代GaN和SiC的早期發(fā)展，只不過如今的技術(shù)早已有了翻天覆地般的變化。

寫在最后

就目前來看，UWBG技術(shù)因其在高功率電子、光電子和量子技術(shù)領(lǐng)域的潛力受到廣泛關(guān)注，但它發(fā)展仍面臨著許多阻礙和挑戰(zhàn)，其不僅來自于材料本身的稀缺性和高成本，還包括復(fù)雜的制造工藝及器件集成中的難題。

例如，許多 UWBG 材料（如金剛石和立方氮化硼）本身較為稀有，且制備高質(zhì)量的單晶材料需要昂貴的設(shè)備和耗材。即便是相對(duì)成熟的材料如三氧化二鎵（Ga?O?），其單晶生長(zhǎng)和大面積晶圓制造的成本依然顯著高于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。這種材料可用性和成本的限制，使得使用 UWBG 材料進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)電子設(shè)備成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，同時(shí)制約了技術(shù)的普及。

此外，UWBG 半導(dǎo)體的制造需要高度專業(yè)化的工藝，包括單晶生長(zhǎng)、材料加工及摻雜技術(shù)。這些工藝通常涉及復(fù)雜的流程和專門設(shè)備。例如，化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)雖然在金剛石薄膜制備中廣泛應(yīng)用，但其對(duì)工藝條件要求苛刻，且缺乏大面積均勻沉積的成本效益。此外，UWBG 材料固有的化學(xué)和物理穩(wěn)定性進(jìn)一步增加了加工難度，例如立方氮化硼在加工過程中極易產(chǎn)生缺陷，影響器件性能。

另外，UWBG 材料與傳統(tǒng)硅基技術(shù)的集成也面臨顯著挑戰(zhàn)。由于晶體結(jié)構(gòu)、熱膨脹系數(shù)及表面特性的差異，UWBG 器件難以直接與現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝兼容。這種不匹配不僅可能導(dǎo)致器件性能下降，還會(huì)對(duì)封裝可靠性產(chǎn)生不利影響。因此，開發(fā)創(chuàng)新的器件集成和封裝解決方案成為 UWBG 技術(shù)邁向?qū)嵱没年P(guān)鍵。

UWBG 材料的寬帶隙和高化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)摻雜控制也提出了巨大挑戰(zhàn)。在這些材料中實(shí)現(xiàn)均勻、穩(wěn)定且可重復(fù)的摻雜分布需要克服固有的物理和化學(xué)障礙，這直接影響到器件的導(dǎo)電性和載流子遷移率。此外，摻雜難題對(duì)性能優(yōu)化和器件可靠性提出更高要求，目前仍是 UWBG 材料應(yīng)用研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

最后，由于材料成本和制造復(fù)雜性，UWBG 器件的生產(chǎn)成本比WBG器件還要高出不少，這對(duì)其大規(guī)模商業(yè)化形成了顯著障礙。盡管 UWBG 技術(shù)在性能上的優(yōu)勢(shì)使其在高端市場(chǎng)具備競(jìng)爭(zhēng)力，但在更廣泛的市場(chǎng)中，其高成本限制了其應(yīng)用范圍。因此，開發(fā)成本效益更高的生產(chǎn)工藝、提高制造效率，是未來實(shí)現(xiàn) UWBG 技術(shù)普及的關(guān)鍵方向。

對(duì)于功率半導(dǎo)體行業(yè)來說，目前WBG仍然是主要發(fā)展方向，但UWBG的發(fā)展速度已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)初的WBG，或許在未來幾年時(shí)間里，諸如r-GeO2這樣先進(jìn)UWBG會(huì)正式登上舞臺(tái)，再度為半導(dǎo)體行業(yè)帶來一場(chǎng)材料的革命。

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