（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候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股东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进犯脚色。
但半导体行业并未倨傲于此，愈加超前的超宽禁带（UWBG）材料坚贞在路上，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，它们的特有特质包括更高的耐高温性、更好的功率等第，以及某些材料施展出的特有光学性能。
值得温文的是，不少日本厂商有志于不才一代功率半导体材料上发力，以致也曾有日本厂商也曾精良推出了自研的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征询机构西宾兼RARA征询员金子健太郎（Kentaro Kaneko）担任了Patentix纠合创举东说念主兼首席时刻官（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告捷谐和，此前也曾初度辞宇宙范围内期骗“幻影空间蒸气千里积法（Phantom SVD）”杀青了下一代半导体材料——r-GeO2薄膜在SiC上的滋长。
这一征询后果已于2023年9月，在波兰华沙举行的欧洲最大材料征询学会（European Materials Research Society, E-MRS）秋季会议上发布，遥远以来，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，而此项征询收尾标明，通过使工具有荒谬散热性能的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征询后果过火改日瞻望的专题请教。
同庚11月16日，Patentix文书期骗不异的制备法在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、京齐大学、NIMS共同告捷开发r-GeO2基混晶半导体器件，这三项树立均为宇宙草创。
而2023年12月，日本企业Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成老本业务谐和左券，野心在草津市内开设实际室，支撑Patentix的研发责任，并酌量相接GeO2外延晶圆的制造。猜想使用GeO2晶圆制造的开拓将应用于电源、电动机、逆变器等，本年2月14日Patentix还文书与Qualtech谐和给与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。
不少东说念主会敬爱，r-GeO2是怎么取代SiC的呢？
凭证Patentix先容，传统功率半导体中鄙俚使用的硅（Si，带隙1.12eV）也曾接近其物理极限，正舒缓被带隙较宽的碳化硅（SiC，带隙3.3eV）和氮化镓（GaN）替代，连年赶快普及的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表面上有望杀青约90%的节能效果。此外，与具有访佛带隙的氧化镓（Ga2O3）比拟，r-GeO2表面上能够通过杂质掺杂杀青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宽敞的后劲。
固然r-GeO2在这方面具有相称诱东说念主的物感性质，但此前由于很难分娩出高质料的单晶薄膜，因此它动作征询倡导并未引起鄙俚温文。此外，通过掺杂杂质来适度半导体所必需的电导率的法式尚未设立，因此大范围半导体器件的开发也莫得得回进展（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，电导率不错权臣提高。在半导体器件中，导电性受掺杂剂添加量的适度）。
据了解，Patentix公司此前也曾通过在r-GeO2中引入供体型杂质，杀青了1×101?至1×102? cm?3的高浓度N型掺杂（N+掺杂）。但要杀青基于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，而在这次征询之前，基于r-GeO2的半导体器件的初始考证尚未杀青。
杀青时刻防止
转变出现时了本年11月27日，Patentix精良文书，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。通过与日本国立征询开发法东说念主物资·材料征询机构（NIMS）的谐和，初度杀青了基于r-GeO2的肖特基势垒二极管（SBD）的初始考证。
实际中，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，暴显现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-电压本性（I-V本性）进行了评估。
图1：本次试制的r-GeO2伪垂直SBD结构默示图
测试收尾标明，试制的r-GeO2 SBD能够平素责任，其ON/OFF比达到七个数目级，展现出细密的整流本性。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，证据其约为1×101? cm?3（见图2）。
图2：r-GeO2 SBD的I-V本性（左）与N-层杂质浓度测量收尾（右）
这一后果是基于r-GeO2的半导体器件的众人初度考证，亦然Patentix公司以r-GeO2为材料助力杀青碳中庸社会倡导的进犯一步。
Patentix清楚，基于这次后果，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，下一步将竭力于杀青真是的垂直结构SBD。此外，公司还将不竭辛勤进步晶膜质料，并竭力于杀青P型导电性，以拓展半导体器件的应用范围。
伴跟着这次告捷考证，r-GeO2距离杀青早期市集参加又近了一步。据了解，和Patentix谐和的Quoltech野心到2027年提供用于开拓原型的2英寸外延晶圆样品，并辛勤将量产的基板大小从4-6英寸扩大。
现时，以Patentix为中心，加入“琵琶湖半导体野心”的企业数目正在不断增多，该野心旨在杀青GeO功率半导体早期生意化。此外，Quoltech还野心最早于2024年在日本堺市地区莳植"电力电子中心（暂命名）"新基地，猜想投资超5亿日元，以相接功率半导体的可靠性评估责任。
此外，在汽车市辘集，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就业的相接，以此来扩大销售额。
从WBG到UWBG
咱们不错看到，恰是对动力调整效用的不懈追求，才股东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显现来，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，即可浪漫杀青，莫得SiC器件，咱们可能很丢脸到单次充电续航绝顶600公里的电动车型。
不外，尽管WBG半导体时刻仍在供应商不断推出的新时刻代际和工艺编削中发展，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猜想材料包括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筹划跟着禁带宽度的增多呈非线性增长，这使得这些UWBG材料比拟传统的WBG材料施展出权臣上风。
表 1：Si、WBG 和 UWBG 半导体的一些主要物理本性
氮化铝 (AlN)是一种超宽带隙半导体材料，其本性使其适用于多样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，举例高功率电子开拓的基板和 IC 的散热器。AlN 具有化学踏实的结构，相称合适在电力电子、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弱势，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单晶滋长工艺方面有防止性征询，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蓄积。
立方氮化硼 (c-BN) 是一种合成晶体材料，由硼和氮原子构成，摆设成立方晶格结构，访佛于金刚石中的碳原子。这种极其坚贞的材料具有很高的热踏实性，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 的化学惰性使其合适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征询，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征询所对c-BN薄膜和器件也有长远征询。
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是室温下最踏实的化合物。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。这种宽的带隙本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具有最高的电子挪动率，使其最合适高功率电子开拓，举例场效应晶体管。
主要参与者方面，日本Novel Crystal Technology在Ga?O?单晶衬底分娩中处于起先地位，供应生意化晶圆，好意思国普渡大学征询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赶快。
钻石是一种超宽带隙材料，因为其带隙相称宽，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相称高的电场，合适在高电压和高温下责任。钻石的优异导热性使电子开拓能够高效散热。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责任。
主要参与者方面，英国的Element Six在CVD钻石时刻范围处于龙头地位，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征询方面得回进展，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。
现时UWBG的征询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，只不外如今的时刻早已有了地覆天翻般的变化。
就现时来看，UWBG时刻因其在高功率电子、光电子和量子时刻范围的后劲受到鄙俚温文，但它发展仍面对着很多防碍和挑战，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，很多 UWBG 材料（如金刚石和立方氮化硼）自己较为帮衬，且制备高质料的单晶材料需要崇高的开拓和耗材。即等于相对熟练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权臣高于传统半导体材料。这种材料可用性和成本的收尾，使得使用 UWBG 材料进行大范围分娩电子开拓成为一项繁重的任务，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成心开拓。举例，化学气相千里积（CVD）时刻固然在金刚石薄膜制备中鄙俚应用，但其对工艺要求要求暴戾，且费劲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踏实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弱势，影响器件性能。
另外，UWBG 材料与传统硅基时刻的集成也面对权臣挑战。由于晶体结构、热延伸通盘及名义本性的各别，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惩办决策成为 UWBG 时刻迈向实用化的关节。
UWBG 材料的宽带隙和高化学踏实性对掺杂适度也冷落了宽敞挑战。在这些材料中杀青均匀、踏实且可重叠的掺杂散播需要克服固有的物理和化学辛勤，这径直影响到器件的导电性和载流子挪动率。此外，掺杂难题对性能优化和器件可靠性冷落更高要求，现时仍是 UWBG 材料应用征询的要点范围之一。
终末，由于材料成本和制造复杂性，UWBG 器件的分娩成本比WBG器件还要跨越不少，这对其大范围生意化酿成了权臣辛勤。尽管 UWBG 时刻在性能上的上风使其在高端市集具备竞争力，但在更鄙俚的市辘集，其高成本收尾了其应用范围。因此，开发成本效益更高的分娩工艺、提高制造效用，是改日杀青 UWBG 时刻普及的关节标的。
对于功率半导体行业来说，现时WBG仍然是主要发展标的，但UWBG的发展速率也曾远超当初的WBG，概况在改日几年时候里，诸如r-GeO2这么先进UWBG会精良登上舞台，再度为半导体行业带来一场材料的创新。
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