SiC接班人，问世

近几年，半导体行业正悄然发生一场革命，砷化钒（GaAs），以及更先进的宽禁带材料(如碳化硅SiC和氮化邈GaN)在许多领域逐渐取代了传统的硅。

在过去的几年里，这些材料已经成为功率半导体行业的一个热点，它们的应用包括LED。、射频（RF）其中，SiC在加速电气化、促进新能源汽车普及方面发挥了关键作用，而GaN在AI数据中心的发展中也发挥了重要作用。

但是半导体行业并不满足于此，超宽禁带更先进。（UWBG）材料已经在路上了，这些材料的禁带宽度远远高于GaN(3.4) eV）和SiC(3.2) eV），它被认为是半导体的新前沿，其独特的特性包括更高的耐高温性、更好的功率等级以及某些材料所表现出来的独特光学性能。

值得注意的是，许多日本制造商对下一代功率半导体材料感兴趣，甚至一些日本制造商已经正式推出了自主研发的UWBG材料。

替代SiC？

日本公司Patentix于2022年12月成立，是这个故事的主角，它是一家起源于立命馆大学的半导体深科技创业公司，立命馆大学科研机构教授兼RARA研究员金子健太郎。（Kentaro Kaneko）担任Patentix联合创始人兼首席技术官员（CTO），在他的主导下，Patentix开发了一种全新的R-GeO2功率半导体材料，它致力于R-GeO2半导体衬底和功率器件的研发。

据悉，立命馆大学已成功与Patentix合作，此前已首次在全球范围内使用“幻象空间蒸汽沉积法”（Phantom SVD）下一代半导体材料已经完成。——r-SiC上GeO2薄膜的生长。

这项研究成果已于2023年9月在波兰华沙举行的欧洲最大材料研究学会（European Materials Research Society, E-MRS）长期以来，氧化物半导体功率器件在开发过程中存在着衬底热导率较低的问题，研究结果表明，通过使用具有优异散热性能的SiC，能有效地克服这个瓶颈。另外，金子健太郎还应邀在会上发布了一份关于r-GeO2研究成果及其未来前景的专题报告。

2024年1月16日，Patentix宣布，在4英尺的Si晶圆上，采用同样的制备方法，成功地形成了二氧化邈(GeO2)薄膜，Patentix宣布，立命馆大学、京都大学、NIMS共同成功地开发了r-GeO2基混晶半导体器件，这三项成就都是世界上第一个。

2023年12月，日本公司Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成资本业务合作协议，计划在草津市设立一个支持Patentix研发的实验室，并考虑生产GeO2外延晶圆。今年2月14日，Patentix还宣布与Qualtech合作选择PhantomSVDD，预计用GeO2晶圆制造的设备将用于电源、电机、逆变器等。 Ga2OGa2O在金刚石半导体上成功沉积。₃膜片，进一步扩大了半导体的可能性。

很多人会好奇，r-GeO2是怎样替代SiC的？

据Patentix介绍，硅酮广泛应用于传统功率半导体。（Si，带隙1.12eV)已接近其物理极限，正逐渐被带隙较宽的碳化硅所接近（SiC，带隙3.3eV）和氮化镓（GaN）与硅相比，近年来迅速普及的SiC节能效果约为40%。

而且金红石型二氧化鲟（r-GeO2)的间隙较大，达到4.6。eV，所以r-GeO2理论上有望达到90%左右的节能效果。另外，与带有类似间隙的氧化鲟(Ga2O3)相比，r-理论上，GeO2可以通过混合杂质来实现P型导电性能，这是氧化鲟难以实现的，因此r-GeO2被认为在设备应用中具有更广阔的潜力。

虽然r-GeO2在这方面具有非常诱人的物理性质，但它作为一个研究目标并没有引起广泛的关注，因为它之前很难制造出高质量的单晶薄膜。此外，还没有建立通过混合杂质来调节半导体所需的导电率的方法，因此大型半导体器件的研发也没有取得进展(杂质少的半导体导电率极低，但通过添加少量被称为掺杂剂的杂质，导电率可以显著提高。在半导体器件中，导电性受到掺杂剂剂量的控制)。

据悉，Patentix公司之前已将供体型杂质引入r-GeO2，完成1×10¹⁸至1×10²⁰ cm⁻³高浓度N型混合物（N 夹杂）。但是，要实现基于r-GeO2的半导体装置，关键在于供体浓度低于1。×10¹⁷ cm⁻³N-层制备，但是在这项研究之前，基于r-GeO2的半导体器件的运行验证还没有实现。

实现技术突破

今年11月27日，Patentix正式宣布其成功在Netentix上。 供体浓度在1-GeO2单晶膜上约为1。×10¹⁷ cm⁻³N-型r-GeO2单晶膜。法人物质材料研究机构与日本国立研究开发（NIMS）肖特基势垒二极管基于r-GeO2的合作首次实现。（SBD）运行验证。

在实验中，Patentix公司首先将N沉积在绝缘TiO2基板上 型r-GeO2单晶膜，然后在上面沉积N-型r-GeO2单晶膜。NIMS随后通过干法蚀刻工艺清除N-层，显示N-层。 层，并在其上沉积和形成电极，从而构建了伪垂直结构的SBD(如图1所示)。最终，对其电流-电压特性（I-对V特征进行了评估。

图1：r-GeO2伪竖直SBD结构示意图

测试结果表明，r-GeO2 SBD能够正常工作，其ON/OFF比率达到7个数量级，显示出良好的整流特性。另外，通过电容-电压测量（C-对N-层供体杂质浓度进行V测量，确定其大约1。×10¹⁷ cm⁻³（如图2）。

图2：r-GeO2 SBD的I-V特性(左)和N-层杂质浓度测量结果(右)

这个结果是世界上第一次基于r-GeO2的半导体器件验证，也是Patentix公司帮助实现碳中和社会目标的重要一步。

Patentix表示，基于这一成果，公司将进一步加快R-GeO2半导体器件的研发。虽然这次试制的设备是伪垂直结构，但下一步将致力于实现真正的垂直结构SBD。此外，公司将继续努力提高晶膜质量，并致力于扩大半导体器件的应用范围，以实现P型导电。

伴随着这次成功的验证，r-GeO2离实现初始市场投资又近了一步。据悉，与Patentix合作的Quoltech计划于2027年提供2英尺外延晶圆样品，并努力将大批量生产的基板大小从4-6英尺扩大。

目前，以Patentix为核心，加入“琵琶湖半导体计划”的企业数量不断增加，旨在实现GeO功率半导体初期商业化。此外，Quoltech还计划在2024年首次在日本“电力电子中心”建设一个新基地，预计投资超过5亿日元，以承担功率半导体的可靠性评估。

另外，在汽车市场上，Quoltech计划以功率半导体为切入点，将其他可靠性评估服务的承接拓展到电瓶车独有部件的环境测试，从而扩大销量。

从WBG到UWBG

我们可以看到，正是对能源转换效率的不懈追求，促进了半导体行业材料的迭代和复兴，它们带来的变化已经初步暴露出来。例如，如果你想在不增加电池重量的情况下最大化电动汽车的续航里程，你只需要在主牵引逆变器中使用SiC。 MOSFET，即可轻松实现，没有SiC设备，我们可能很难看到一款充电电池寿命超过600公里的电动车。

但是，尽管WBG半导体技术仍然在供应商不断推出的新技术跨代和技术改进中发展，但是UWBG半导体材料也已经开始显现出来，除了以Patentix为代表的r-GeO2之外，还有更多的UWBG材料。

AlGaN///UWBG相关材料AlN、金钢石，立方氮化硼（c-BN）和氧化镓（β-Ga₂O₃）。这类材料的禁带宽度远远高于GaN的3.4 eV(参考表1，还提供其它物理参数)。此外，随着禁带宽度的增加，一些用于量化器件特性的指标呈非线性增长，这使得这些UWBG材料比传统WBG材料具有明显的优势。

表 1：Si、WBG 和 UWBG 半导体的一些主要物理特性

氮化铝 (AlN)它是一种超宽带间隙半导体材料，其特性使其适用于各种大功率和热管理应用。AlN 宽带间隙通常是 6 eV 范围内，使 AlN 该装置能在高电压和高温下工作，从而产生较低的漏电流。它具有高传热性能，适用于热管理应用，例如大功率电子产品的基板和基板。 IC 的散热器。AlN 结构稳定，特别适用于电力、电子、汽车、航空航天工业等恶劣环境。AlN 用于 GaN 基晶体管中 GaN 薄膜的延伸生长。AlN 和 GaN 晶格匹配有助于减少缺陷，从而提高缺陷。 AlN 基板上 GaN 薄膜质量。

主要参与者方面，HexaTech(科锐收购)致力于高品质AlN单晶衬底，产品用于深紫外LED和紫外线探测器。日本东京工业大学在AlN单晶生长技术方面有突破性研究。基于MOVPE技术，中国华卓精科在AlN薄膜和基板加工方面积累了一定的技术。

立方氮化硼 (c-BN) 它是一种由硼和氮原子组成的晶体材料，排列成立方晶格结构，与金钢石中的碳原子相似。这种极其坚固的材料热稳定性高，在空气中可以承受高达 1000 0 C 在惰性气体中，温度可以承受较高的温度。c-BN 化学惯性使其适用于极端的化学环境。它具有高润滑性能，可以减少切割和加工过程中的摩擦和磨损。虽然立方氮化硼本身并非大功率电子系统中常用的半导体材料，但其独特的性能使其可以用作基板、散热器和绝缘材料。

在主要参与者方面，NEC对C-BN单晶延伸和高频功率器件进行了前沿研究，MIT探索了C-BN在深紫外线光学和量子器件中的应用，而中国清华大学和中国科学院半导体研究所也对C-BN薄膜和器件进行了深入研究。

三氧化镓 (Ga 2 O 3 )它是一种由钒和氧原子组成的化合物。有几种晶体方法可以使用这种钒氧化物， β-Ga 2 O 三是常温下最稳定的化合物。其它晶体形式包括单斜斜 (α-Ga 2 O 3 ) 和立方相。这类氧化物具有宽带间隙，范围从 4.6 到 4.9 eV，这取决于晶体的方法。这种宽带间隙的特点适用于大功率、光电子和紫外线。 (UV) 光子应用。β-Ga 2 O 三是电子迁移率最高，最适合大功率电子产品，如场效应晶体管。

日本Novel是主要参与者。 Crystal 在Technology中Ga₂O₃在单晶衬底生产中处于领先地位，供应商业晶圆，美国普渡大学研究Ga₂O₃中国苏州晶湛微电子和安特威GaGaGa的高性能功率装置，包括横向和垂直装置，₂O₃在自主开发和产业化布局方面，团队发展迅速。

钻石是一种超宽带隙材料，因为它的带隙很宽， 5.5 eV。该带隙值适用于天然钻石，而化学合成钻石的带隙值甚至更大。钻石宽带间隙使其能承受很高的电场，适合在高电压和高温下工作。优良的钻石传热性能使电子产品能有效地排热。在高功率电子应用中，它能承受高电压而不发生电击穿，是首选。裸钻具有化学惰性和机械强度，使其能在恶劣环境下工作。

英国Element的主要参与者 Six在CVD裸钻技术领域处于领先地位，应用于功率电子和量子技术。日本住友电工在高质量裸钻薄膜制备和量子应用研究方面取得了进展，而中国金刚石半导体(南京)在钻石功率器件研发和工业化方面有着明显的布局。

现在UWBG的研究阶段不禁让我们想起了上个世纪80年代GaN和SiC的早期发展，但是现在的技术已经发生了很大的变化。

写在最后

目前，UWBG技术因其在高功率电子、光电子和量子技术领域的潜力而受到广泛关注，但它的发展仍然面临许多障碍和挑战，这不仅来自于材料本身的稀缺性和高成本，也来自于复杂的制造技术和设备集成问题。

比如，很多 UWBG 材料(如金钢石和立方氮化硼)本身比较稀缺，而且制备高质量的单晶材料需要昂贵的设备和耗材。即便是三氧化二邈等相对成熟的材料。（Ga₂O₃），与传统半导体材料相比，其单晶生长和大规模晶圆生产的成本仍显著提高。这类材料的可用性和成本限制，促使使用 UWBG 在制约技术普及的同时，材料大规模生产电子产品已成为一项艰巨的任务。

此外，UWBG 制造半导体需要高度专业化的工艺，包括单晶生长、材料加工和夹杂技术。这类工艺通常涉及复杂的工艺和特殊设备。例如，化学气相沉积（CVD）虽然该技术在金刚石薄膜制备中得到了广泛的应用，但是它对工艺条件要求很高，而且缺乏大规模匀称沉积的成本效率。此外，UWBG 材料的固有化学和物理稳定性进一步增加了加工难度，例如，立方氮化硼在生产过程中容易产生缺陷，影响设备性能。

此外，UWBG 材料与传统硅基技术的整合也面临着显著的挑战。由于晶体结构、热膨胀系数和表面特性的差异，UWBG 设备很难直接适应现有的半导体技术。这种不匹配不仅可能导致设备性能下降，还会对封装的可靠性产生不利影响。因此，开发创新的设备集成和封装解决方案已经成为 UWBG 技术走向产品化的关键。

UWBG 材料的宽带间隙和高耐化学性也对混合控制提出了巨大的挑战。在这些材料中，需要克服固有的物理和化学障碍，才能获得对称、稳定和可重复的混合分布，直接影响设备的导电性和载流子迁移率。此外，混合问题对性能优化和设备可靠性提出了更高的要求，目前仍然是 UWBG 材料应用研究的重点领域之一。

最后，由于材料成本和制造的复杂性，UWBG 该设备的生产成本远高于WBG设备，这对其大规模商业化构成了显著障碍。虽然 UWBG 技术性能优势进而在高端市场具有竞争力，但在更广阔的市场中，其高成本限制了其应用范围。所以，开发更高成本、更高效率的生产工艺，提高制造效率，是未来实现的。 UWBG 技术普及的关键方向。

目前，WBG仍然是功率半导体行业的主要发展方向，但是UWBG的发展速度已经远远超过了原来的WBG，或许在未来几年里，像r-GeO2这样先进的UWBG将正式登上舞台，再一次为半导体行业带来材料革命。

本文来自微信公众号“半导体行业观察”（ID：icbank），作者：邵逸琦，36氪经授权发布。

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