超宽禁带半导体材料概述 - 在功率半导体材料进化中，硅已接近性能极限，碳化硅和氮化镓是当前主流，但行业正追求性能更好的超宽禁带材料[2] - 日本Patentix公司成功生长出金红石型二氧化锗块体晶体，尺寸达5毫米，带隙高达4.68 eV，远超碳化硅的3.3 eV和氮化镓的3.4 eV[2] - 超宽禁带氧化物材料如二氧化锗和氧化镓被视为实现更高耐压、更高功率、更高效率的下一代功率半导体重要候选材料[2] 二氧化锗材料特性与进展 - 二氧化锗作为功率半导体具备三大优势：超宽带隙半导体潜力、适用于常规MOSFET的P型和N型掺杂、拥有廉价的块状晶体和外延层[3] - 二氧化锗有五种晶体结构，Patentix突破的金红石型具有4.6 eV巨大带隙，理论预测同时具有n型和p型导电特性[5] - Patentix是一家源自立命馆大学的初创企业，专注于二氧化锗研发，自2022年12月成立以来累计融资达10.59亿日元[5] - 该公司以传统熔剂法合成的r-GeO₂块体晶体作为种晶，成功实现全球首例通过FZ法生长的r-GeO₂晶体，尺寸约5毫米[6] - 下一步目标是制备半英寸级r-GeO₂块体衬底，并结合Minimal Fab系统开发超高性能功率器件[12] - 三角晶系α-石英型GeO₂具有6.2 eV超大带隙，有望应用于下一代肖特基势垒二极管及6G之后的高速7G通信[12] 氧化镓材料特性与日本进展 - 氧化镓被视为继SiC与GaN之后最具潜力的高压功率器件材料，β相是热力学最稳定、研究最深入的晶体结构[14] - β-Ga₂O₃带隙约4.8 eV，击穿电场达8 MV/cm，远超Si、SiC与GaN，Baliga优值约为SiC的10倍、GaN的4倍[14] - 氧化镓可在外延生长或离子注入过程中掺杂，且兼容标准商用光刻与半导体工艺，能复用现有晶圆制造技术[18] - 日本在氧化镓研究上积累深厚，2012年发表全球首个单晶β-Ga₂O₃晶体管，击穿电压超过250V[18] - Novel Crystal Technology公司2025年4月宣布开发出垂直结构氧化镓MOS晶体管，功率品质因数达1.23 GW/cm²，创全球最高纪录[19] - NCT计划采用NiO等p型异质半导体材料改进终端结构，以充分发挥β-Ga₂O₃的高击穿场潜力[19] - 2025年8月，NCT与美国Kyma Technologies合作开发150 mm大面积氧化镓外延晶圆制备工艺[20] 中国氧化镓产业进展 - 杭州镓仁半导体2025年3月推出全球首块8英寸β-Ga₂O₃单晶，成为全球首家掌握该尺寸生长技术的企业[22] - 镓仁半导体采用铸锭法生长技术，在三年间实现从2英寸到8英寸的跨越式发展，8英寸衬底与现有8英寸硅产线完全兼容[22] - 公司2025年2月成功制备出6英寸斜切型氧化镓衬底，目前已实现量产并交付客户使用[25] - 镓仁还开放了自主研发的垂直Bridgman生长系统及配套工艺包，可在高温高氧环境下实现β-Ga₂O₃晶体全自动生长[26] - 初创企业镓创未来专注于氧化镓外延片研发与产业化，已具备小批量异质外延生产能力，选择异质外延技术路线将材料成本降低10倍以上[27][28] - 国内涉足氧化镓的企业还包括铭镓半导体、深圳进化半导体、北京镓族科技等，中国已在材料、外延与装备三个关键环节完成技术自立[28] 行业展望 - 超宽禁带氧化物正成为功率半导体的下一个主战场，无论是r-GeO₂新体系还是β-Ga₂O₃的产业化竞速，都预示新材料时代开启[30] - β-Ga₂O₃已成为最接近商业化的UWBG材料之一，在高压功率器件市场展现出极强的可替代潜力[30] - 氧化镓全球竞争格局逐渐成形：日本凭借技术积累领跑上游，而中国则以产业化速度强势突围[30]