氧化镓与二氧化锗：下一代功率半导体的竞赛

在功率半导体材料的进化旅程中，硅（Si）的统治地位正逐渐让位于更先进的材料。碳化硅（SiC）作为当前热点，而氮化镓（GaN）则在高频轻载领域崭露头角。然而，探索的脚步并未停歇，对更优材料的追求永无止境。

11月初，日本Patentix株式会社宣布了一项重大突破——全球首次利用FZ法成功培育出金红石型二氧化锗（r-GeO2）块体晶体，其尺寸达到了惊人的5毫米。这块晶体拥有高达4.68 eV的带隙，远超SiC的3.3 eV和GaN的3.4 eV，且理论上可实现p型与n型掺杂。

这一成就再次将超宽禁带（UWBG）氧化物材料体系推向了聚光灯下。随着电动汽车（EV）的普及、AI数据中心的能耗增长、减碳与节能需求的增强，以及车载功率模块的小型化趋势，超宽禁带半导体的商业化应用备受期待。氧化物如GeO2和Ga₂O₃，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器件的重要候选材料。

二氧化锗：UWBG赛道的新星？

在超宽禁带半导体领域，除了广为人知的氧化镓（Ga₂O₃），二氧化锗（GeO2）正迅速崭露头角，成为新一代功率半导体的有力竞争者。

二氧化锗作为功率半导体的优势显著：首先，它是具有高功率半导体潜力的超宽带隙半导体；其次，它适用于常规型GeO2 MOSFET的P型和N型掺杂；最后，它拥有廉价的块状晶体和外延层。

二氧化锗（GeO2）共有五种晶体结构：金红石型、α-石英型、CaCl2型、α-PbO2型和黄铁矿型。目前，Patentix公司突破的就是金红石型二氧化锗（r-GeO2），其拥有4.6 eV的巨大带隙，理论预测其同时具有n型和p型导电特性。因此，它有望应用于下一代高性能常关型MOSFET等领域。

为了最大限度地发挥r-GeO2的潜力，需要实现具有最小晶体缺陷的高质量块状衬底。此次Patentix以传统熔剂法合成的r-GeO2块体晶体作为种晶，成功实现了全球首例通过FZ法生长的r-GeO2晶体。虽然晶体因掺杂添加物而呈现黑色，但其侧面可观察到明显的晶面，显示出较高的晶体质量。

除了金红石型GeO2，三角晶系α-石英型GeO2同样具有6.2 eV的超大带隙，并表现出压电性。因此，它有望作为HEMT元件应用于下一代肖特基势垒二极管以及未来高容量、高速通信。

氧化镓：日本的技术积累与中国速度

接下来让我们关注从几年前就开始被业界追捧的氧化镓（Ga₂O₃），被视为继SiC与GaN之后最具潜力的高压功率器件材料。它是一种性能远超氮化镓的无机化合物，目前已知晶相多达六种。

β-Ga₂O₃是热力学最稳定、研究最深入的晶体结构，也是当前产业化的主角。得益于优异的热稳定性，β-Ga₂O₃可采用与硅晶圆相似的直拉法实现大规模制备。此外，日本在氧化镓研究上的积累深厚，早在2012年，东京NICT的Masataka Higashiwaki教授就发表了全球首个单晶β-Ga₂O₃晶体管。

中国也在氧化镓领域取得了显著进展。杭州镓仁半导体在2025年3月宣布推出全球首块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。这一突破不仅打破了全球氧化镓单晶直径纪录，也标志着中国在短短三年内实现了“从2英寸到8英寸”的跨越式发展。

在氧化镓外延领域，初创企业镓创未来也在快速崛起。该公司专注于氧化镓外延片的研发与产业化，已具备小批量异质外延生产能力。公司重点聚焦两大高价值应用方向：功率器件端和光电器件端。

写在最后

可以预见，超宽禁带氧化物正成为功率半导体的下一个竞技场。无论是Patentix推动的“r-GeO₂+Minimal Fab”新体系，还是中日厂商围绕β-Ga₂O₃的产业化竞速，都预示着一个全新的材料时代正在开启。

尽管β-Ga₂O₃仍面临导热性不足、成本偏高以及p型掺杂尚未解决等挑战，但它已成为最接近商业化的UWBG材料之一，并在高压功率器件市场展现出极强的可替代潜力。中国在第三代半导体SiC领域已构筑明显优势，这一优势能否顺延至以Ga₂O₃为代表的下一代材料？让我们拭目以待。