近年来，半导体行业正在悄然发生一场革命，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）在多个领域逐渐取代了传统的硅。
这些材料在过去几年时间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）组件和功率器件等领域，其中SiC更是在加速电动化和推动新能源汽车普及方面起到了关键作用，而GaN也在AI数据中心的发展中扮演了重要角色。
但半导体行业并未满足于此，更加超前的超宽禁带（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，它们的独特特点包括更高的耐高温性、更好的功率等级，以及某些材料表现出的独特光学性能。
值得关注的是，不少日本厂商有志于在下一代功率半导体材料上发力，甚至已经有日本厂商已经正式推出了自研的UWBG材料。
取代SiC？
2022年12月成立的日本公司Patentix正是这一故事的主角，这是一家源自立命馆大学的半导体深科技创业公司，立命馆大学科学技术研究机构教授兼RARA研究员金子健太郎（Kentaro Kaneko）担任了Patentix联合创始人兼首席技术官（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成功合作，此前已经首次在世界范围内利用“幻影空间蒸气沉积法（Phantom SVD）”实现了下一代半导体材料——r-GeO2薄膜在SiC上的生长。
这一研究成果已于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）秋季会议上发布，长期以来，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，而此项研究结果表明，通过使用具有卓越散热性能的SiC，可以有效克服这一瓶颈。此外，金子健太郎还受邀在会上发表了关于r-GeO2研究成果及其未来展望的专题报告。
同年11月16日，Patentix宣布利用同样的制备法在4英寸Si晶圆上成功形成二氧化锗（GeO2）薄膜，2024年1月，Patentix宣布立命馆大学、京都大学、NIMS共同成功开发r-GeO2基混晶半导体器件，这三项成就均为世界首创。
而2023年12月，日本企业Qualtech向Patentix投资5000万日元，并达成资本业务合作协议，计划在草津市内开设实验室，支持Patentix的研发工作，并考虑承接GeO2外延晶圆的制造。预计使用GeO2晶圆制造的设备将应用于电源、电动机、逆变器等，今年2月14日Patentix还宣布与Qualtech合作采用PhantomSVD 法成功在金刚石半导体上沉积氧化镓Ga2O₃薄膜，进一步拓展了半导体的可能性。
不少人会好奇，r-GeO2是怎么取代SiC的呢？
根据Patentix介绍，传统功率半导体中广泛使用的硅（Si，带隙1.12eV）已经接近其物理极限，正逐步被带隙较宽的碳化硅（SiC，带隙3.3eV）和氮化镓（GaN）替代，近年迅速普及的SiC相比硅具有约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理论上有望实现约90%的节能效果。此外，与具有类似带隙的氧化镓（Ga2O3）相比，r-GeO2理论上能够通过杂质掺杂实现P型导电性，而这是氧化镓难以做到的，因此r-GeO2被认为在器件应用上拥有更广阔的潜力。
虽然r-GeO2在这方面具有非常诱人的物理性质，但此前由于很难生产出高质量的单晶薄膜，因此它作为研究目标并未引起广泛关注。此外，通过掺杂杂质来控制半导体所必需的电导率的方法尚未确立，因此大规模半导体器件的开发也没有取得进展（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量杂质，电导率可以显著提高。在半导体器件中，导电性受掺杂剂添加量的控制）。
据了解，Patentix公司此前已经通过在r-GeO2中引入供体型杂质，实现了1×10¹⁸至1×10²⁰ cm⁻³的高浓度N型掺杂（N+掺杂）。但要实现基于r-GeO2的半导体器件，关键在于供体浓度低于1×10¹⁷ cm⁻³的N-层的制备，而在此次研究之前，基于r-GeO2的半导体器件的运行验证尚未实现。
实现技术突破
转机出现在了今年11月27日，Patentix正式宣布，其成功在N+型r-GeO2单晶膜上制备了供体浓度约为1×10¹⁷ cm⁻³的N-型r-GeO2单晶膜。通过与日本国立研究开发法人物质·材料研究机构（NIMS）的合作，首次实现了基于r-GeO2的肖特基势垒二极管（SBD）的运行验证。
实验中，Patentix公司首先在绝缘性TiO2基板上沉积了N+型r-GeO2单晶膜，随后在其上沉积N-型r-GeO2单晶膜。NIMS随后通过干法刻蚀工艺去除N-层，暴露出N+层，并在其上沉积和形成电极，从而构建了伪垂直结构的SBD（见图1）。最终，对其电流-电压特性（I-V特性）进行了评估。
图1：本次试制的r-GeO2伪垂直SBD结构示意图
测试结果表明，试制的r-GeO2 SBD能够正常工作，其ON/OFF比达到七个数量级，展现出良好的整流特性。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，确认其约为1×10¹⁷ cm⁻³（见图2）。
图2：r-GeO2 SBD的I-V特性（左）与N-层杂质浓度测量结果（右）
这一成果是基于r-GeO2的半导体器件的全球首次验证，也是Patentix公司以r-GeO2为材料助力实现碳中和社会目标的重要一步。
Patentix表示，基于此次成果，公司将进一步加速r-GeO2半导体器件的开发。虽然本次试制的器件为伪垂直结构，下一步将致力于实现真正的垂直结构SBD。此外，公司还将继续努力提升晶膜质量，并致力于实现P型导电性，以拓展半导体器件的应用范围。
伴随着此次成功验证，r-GeO2距离实现早期市场投入又近了一步。据了解，和Patentix合作的Quoltech计划到2027年提供用于设备原型的2英寸外延晶圆样品，并努力将量产的基板大小从4-6英寸扩大。
目前，以Patentix为中心，加入“琵琶湖半导体计划”的企业数量正在不断增加，该计划旨在实现GeO功率半导体早期商业化。此外，Quoltech还计划最早于2024年在日本堺市地区建设"电力电子中心（暂定名）"新基地，预计投资超5亿日元，以承接功率半导体的可靠性评估工作。
此外，在汽车市场中，Quoltech计划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服务的承接，以此来扩大销售额。
从WBG到UWBG
我们可以看到，正是对能源转换效率的不懈追求，才推动着半导体行业材料的迭代焕新，而它们带来的变化已经初步展露出来，例如，想要在不增加电池重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，即可轻松实现，没有SiC器件，我们可能很难看到单次充电续航超过600公里的电动车型。
不过，尽管WBG半导体技术仍在供应商不断推出的新技术代际和工艺改进中发展，但UWBG半导体材料也已初露端倪，除了Patentix为代表的r-GeO2，还有更多的UWBG材料已在路上。
UWBG相关材料包括AlGaN/AlN、金刚石、立方氮化硼（c-BN）和氧化镓（β-Ga₂O₃）。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指标随着禁带宽度的增加呈非线性增长，这使得这些UWBG材料相比传统的WBG材料表现出显著优势。
表 1：Si、WBG 和 UWBG 半导体的一些主要物理特性
氮化铝 (AlN)是一种超宽带隙半导体材料，其特性使其适用于各种高功率和热管理应用。AlN 的宽带隙通常在 6 eV 范围内，使 AlN 器件能够在高电压和高温下工作，从而具有较低的漏电流。它具有高导热性，使其适用于热管理应用，例如高功率电子设备的基板和 IC 的散热器。AlN 具有化学稳定的结构，非常适合在电力电子、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 薄膜的外延生长。AlN 和 GaN 之间的晶格匹配有助于减少缺陷，从而提高 AlN 基板上 GaN 薄膜的质量。
主要参与者方面，HexaTech（已被科锐收购）专注于高品质AlN单晶衬底，产品应用于深紫外LED和紫外探测器，日本东京工业大学在AlN单晶生长工艺方面有突破性研究，基于MOVPE技术提高材料晶体质量，中国的华卓精科在AlN薄膜和基板加工上有一定技术积累。
立方氮化硼 (c-BN) 是一种合成晶体材料，由硼和氮原子组成，排列成立方晶格结构，类似于金刚石中的碳原子。这种极其坚硬的材料具有很高的热稳定性，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 的化学惰性使其适合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。虽然立方氮化硼本身不是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研究，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研究所对c-BN薄膜和器件也有深入研究。
三氧化镓 (Ga 2 O 3 )是一种由镓和氧原子组成的化合物。这种镓氧化物有几种晶体形式，其中 β-Ga 2 O 3是室温下最稳定的化合物。其他晶体形式包括单斜 (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，具体取决于晶体形式。这种宽的带隙特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具有最高的电子迁移率，使其最适合高功率电子设备，例如场效应晶体管。
主要参与者方面，日本Novel Crystal Technology在Ga₂O₃单晶衬底生产中处于领先地位，供应商业化晶圆，美国普渡大学研究Ga₂O₃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Ga₂O₃团队，在自主研发与产业化布局方面进展迅速。
钻石是一种超宽带隙材料，因为其带隙非常宽，为 5.5 eV。这个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。钻石的宽带隙使其能够承受非常高的电场，适合在高电压和高温下工作。钻石的优异导热性使电子设备能够高效散热。它可以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件下工作。
主要参与者方面，英国的Element Six在CVD钻石技术领域处于龙头地位，应用于功率电子和量子技术，日本住友电工在高品质掺杂钻石薄膜制备和量子应用研究方面取得进展，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明显。
目前UWBG的研究阶段不由让我们联想到了上世纪80年代GaN和SiC的早期发展，只不过如今的技术早已有了翻天覆地般的变化。
写在最后
就目前来看，UWBG技术因其在高功率电子、光电子和量子技术领域的潜力受到广泛关注，但它发展仍面临着许多阻碍和挑战，其不仅来自于材料本身的稀缺性和高成本，还包括复杂的制造工艺及器件集成中的难题。
例如，许多 UWBG 材料（如金刚石和立方氮化硼）本身较为稀有，且制备高质量的单晶材料需要昂贵的设备和耗材。即便是相对成熟的材料如三氧化二镓（Ga₂O₃），其单晶生长和大面积晶圆制造的成本依然显著高于传统半导体材料。这种材料可用性和成本的限制，使得使用 UWBG 材料进行大规模生产电子设备成为一项艰巨的任务，同时制约了技术的普及。
此外，UWBG 半导体的制造需要高度专业化的工艺，包括单晶生长、材料加工及掺杂技术。这些工艺通常涉及复杂的流程和专门设备。例如，化学气相沉积（CVD）技术虽然在金刚石薄膜制备中广泛应用，但其对工艺条件要求苛刻，且缺乏大面积均匀沉积的成本效益。此外，UWBG 材料固有的化学和物理稳定性进一步增加了加工难度，例如立方氮化硼在加工过程中极易产生缺陷，影响器件性能。
另外，UWBG 材料与传统硅基技术的集成也面临显著挑战。由于晶体结构、热膨胀系数及表面特性的差异，UWBG 器件难以直接与现有的半导体工艺兼容。这种不匹配不仅可能导致器件性能下降，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解决方案成为 UWBG 技术迈向实用化的关键。
UWBG 材料的宽带隙和高化学稳定性对掺杂控制也提出了巨大挑战。在这些材料中实现均匀、稳定且可重复的掺杂分布需要克服固有的物理和化学障碍，这直接影响到器件的导电性和载流子迁移率。此外，掺杂难题对性能优化和器件可靠性提出更高要求，目前仍是 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复杂性，UWBG 器件的生产成本比WBG器件还要高出不少，这对其大规模商业化形成了显著障碍。尽管 UWBG 技术在性能上的优势使其在高端市场具备竞争力，但在更广泛的市场中，其高成本限制了其应用范围。因此，开发成本效益更高的生产工艺、提高制造效率，是未来实现 UWBG 技术普及的关键方向。
对于功率半导体行业来说，目前WBG仍然是主要发展方向，但UWBG的发展速度已经远超当初的WBG，或许在未来几年时间里，诸如r-GeO2这样先进UWBG会正式登上舞台，再度为半导体行业带来一场材料的革命。
