（原标题：SiC继任者体育游戏app平台，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）在多个边界缓缓取代了传统的硅。

这些材料在昔时几年时分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）组件和功率器件等边界，其中SiC更是在加快电动化和鼓动新动力汽车普及方面起到了要津作用，而GaN也在AI数据中心的发展中演出了蹙迫变装。

但半导体行业并未餍足于此，愈加超前的超宽禁带（UWBG）材料果决在路上，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，它们的专有脾性包括更高的耐高温性、更好的功率品级，以及某些材料发扬出的专有光学性能。

值得关切的是，不少日本厂商有志于不才一代功率半导体材料上发力，致使一经有日本厂商一经精致推出了自研的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，立命馆大学科学时期考虑机构教学兼RARA考虑员金子健太郎（Kentaro Kaneko）担任了Patentix集结首创东谈主兼首席时期官（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得胜和谐，此前一经初次辞寰球范围内欺诈“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上的滋长。

这一考虑后果已于2023年9月，在波兰华沙举行的欧洲最大材料考虑学会（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，而此项考虑结果标明，通过使器用有止境散热性能的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考虑后果偏激畴昔斟酌的专题叙述。

同庚11月16日，Patentix晓示欺诈相似的制备法在4英寸Si晶圆上得胜变成二氧化锗（GeO2）薄膜，2024年1月，Patentix晓示立命馆大学、京齐大学、NIMS共同得胜开发r-GeO2基混晶半导体器件，这三项建树均为寰球开创。

而2023年12月，日本企业Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成老本业务和谐条约，缱绻在草津市内开设实验室，缓助Patentix的研发责任，并琢磨相接GeO2外延晶圆的制造。斟酌使用GeO2晶圆制造的开垦将应用于电源、电动机、逆变器等，本年2月14日Patentix还晓示与Qualtech和谐吸收PhantomSVD 法得胜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。

不少东谈主会酷好，r-GeO2是何如取代SiC的呢？

把柄Patentix先容，传统功率半导体中泛泛使用的硅（Si，带隙1.12eV）一经接近其物理极限，正迟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表面上有望兑现约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兑现P型导电性，而这是氧化镓难以作念到的，因此r-GeO2被合计在器件应用上领有更广袤的后劲。

固然r-GeO2在这方面具有止境诱东谈主的物感性质，但此前由于很难出产出高质地的单晶薄膜，因此它行动考虑意见并未引起泛泛关切。此外，通过掺杂杂质来律例半导体所必需的电导率的要领尚未确立，因此大限制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少许杂质，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律例）。

据了解，Patentix公司此前一经通过在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，要津在于供体浓度低于1×101? cm?3的N-层的制备，而在这次考虑之前，基于r-GeO2的半导体器件的动手考据尚未兑现。

兑面前期冲突

逶迤出当今了本年11月27日，Patentix精致晓示，其得胜在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。通过与日本国立考虑开发法东谈主物资·材料考虑机构（NIMS）的和谐，初次兑现了基于r-GeO2的肖特基势垒二极管（SBD）的动手考据。

实验中，Patentix公司开首在绝缘性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，暴娇傲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-电压脾性（I-V脾性）进行了评估。

图1：本次试制的r-GeO2伪垂直SBD结构露出图

测试结果标明，试制的r-GeO2 SBD能够平时责任，其ON/OFF比达到七个数目级，展现出雅致的整流脾性。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，证实其约为1×101? cm?3（见图2）。

图2：r-GeO2 SBD的I-V脾性（左）与N-层杂质浓度测量结果（右）

这一后果是基于r-GeO2的半导体器件的公共初次考据，亦然Patentix公司以r-GeO2为材料助力兑现碳中庸社会意见的蹙迫一步。

Patentix露出，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，下一步将死力于兑现果真的垂直结构SBD。此外，公司还将赓续力图涵养晶膜质地，并死力于兑现P型导电性，以拓展半导体器件的应用范围。

伴跟着这次得胜考据，r-GeO2距离兑现早期商场参预又近了一步。据了解，和Patentix和谐的Quoltech缱绻到2027年提供用于开垦原型的2英寸外延晶圆样品，并力图将量产的基板大小从4-6英寸扩大。

咫尺，以Patentix为中心，加入“琵琶湖半导体缱绻”的企业数目正在不休加多，该缱绻旨在兑现GeO功率半导体早期营业化。此外，Quoltech还缱绻最早于2024年在日本堺市地区诞生"电力电子中心（暂命名）"新基地，斟酌投资超5亿日元，以相接功率半导体的可靠性评估责任。

此外，在汽车商场中，Quoltech缱绻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，恰是对动力革新遵循的不懈追求，才鼓动着半导体行业材料的迭代焕新，而它们带来的变化一经初步展娇傲来，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，即可轻易兑现，莫得SiC器件，咱们可能很丢脸到单次充电续航特出600公里的电动车型。

不外，尽管WBG半导体时期仍在供应商不休推出的新时期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关联材料包括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经营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材料发扬出显赫上风。

表 1：Si、WBG 和 UWBG 半导体的一些主要物理脾性

氮化铝 (AlN)是一种超宽带隙半导体材料，其脾性使其适用于各式高功率和热料理当用。AlN 的宽带隙不竭在 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，使其适用于热料理当用，举例高功率电子开垦的基板和 IC 的散热器。AlN 具有化学褂讪的结构，止境稳健在电力电子、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颓势，从而提高 AlN 基板上 GaN 薄膜的质地。

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冲突性考虑，基于MOVPE时期提高材料晶体质地，中国的华卓精科在AlN薄膜和基板加工上有一定时期积存。

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。这种极其坚贞的材料具有很高的热褂讪性，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 的化学惰性使其稳健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，但其专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考虑，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考虑所对c-BN薄膜和器件也有真切考虑。

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表情，其中 β-Ga 2 O 3是室温下最褂讪的化合物。其他晶体表情包括单斜 (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，具体取决于晶体表情。这种宽的带隙脾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，使其最稳健高功率电子开垦，举例场效应晶体管。

主要参与者方面，日本Novel Crystal Technology在Ga?O?单晶衬底出产中处于最初地位，供应营业化晶圆，好意思国普渡大学考虑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，因为其带隙止境宽，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止境高的电场，稳健在高电压和高温下责任。钻石的优异导热性使电子开垦能够高效散热。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钻石时期边界处于龙头地位，应用于功率电子和量子时期，日本住友电工在高品性掺杂钻石薄膜制备和量子应用考虑方面获取进展，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显然。

咫尺UWBG的考虑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，只不外如今的时期早已有了翻江倒海般的变化。

就咫尺来看，UWBG时期因其在高功率电子、光电子和量子时期边界的后劲受到泛泛关切，但它发展仍濒临着好多谢却和挑战，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）自己较为惊奇，且制备高质地的单晶材料需要端淑的开垦和耗材。即就是相对熟谙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律例，使得使用 UWBG 材料进行大限制出产电子开垦成为一项勤恳的任务，同期制约了时期的普及。

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、材料加工及掺杂时期。这些工艺不竭触及复杂的过程和特意开垦。举例，化学气相千里积（CVD）时期固然在金刚石薄膜制备中泛泛应用，但其对工艺条款要求淡漠，且枯竭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褂讪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颓势，影响器件性能。

另外，UWBG 材料与传统硅基时期的集成也濒临显赫挑战。由于晶体结构、热延迟统统及名义脾性的互异，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下落，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处治决策成为 UWBG 时期迈向实用化的要津。

UWBG 材料的宽带隙和高化学褂讪性对掺杂律例也建议了浩大挑战。在这些材料中兑现均匀、褂讪且可叠加的掺杂散布需要克服固有的物理和化学繁难，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建议更高要求，咫尺仍是 UWBG 材料应用考虑的重心边界之一。

临了，由于材料成本和制造复杂性，UWBG 器件的出产成本比WBG器件还要进步不少，这对其大限制营业化变成了显赫繁难。尽管 UWBG 时期在性能上的上风使其在高端商场具备竞争力，但在更泛泛的商场中，其高成本律例了其应用范围。因此，开发成本效益更高的出产工艺、提高制造遵循，是畴昔兑现 UWBG 时期普及的要津标的。

对于功率半导体行业来说，咫尺WBG仍然是主要发展标的，但UWBG的发展速率一经远超当初的WBG，或者在畴昔几年时分里，诸如r-GeO2这么先进UWBG会精致登上舞台，再度为半导体行业带来一场材料的创新。

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