β-Ga?O?、金剛石、AlN，超寬禁帶半導體三強競逐

隨著新能源汽車、電力電子、5G通信、雷達以及高壓電網等應用不斷發展，電子器件正在向更高電壓、更高頻率和更嚴苛的工作環境演進。以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體已經顯著推動了高效率電力電子和射頻技術的發展，但當應用進一步向高壓、高頻拓展時，其材料性能也逐漸接近新的瓶頸。

SiC和GaN的臨界電場約為3 MV/cm。在1～30 kV的局部電網以及30～150 kV的區域電網應用中，如果采用這類材料實現電能轉換，需要較厚的外延層來承受高電壓，而厚外延層又可能帶來額外的電阻和熱損耗。由此，更高臨界電場的超寬禁帶（UWB）半導體開始受到關注。

三類材料成為研究重點

近期，意大利帕多瓦大學研究人員在《IEEE Transactions on Electron Devices》發表綜述論文《Ultrawide Bandgap Semiconductors: State of the Art and Technological Challenges》，系統梳理了超寬禁帶半導體的研究進展及技術挑戰。論文重點聚焦β-Ga?O?、金剛石和AlN三類材料，并從材料、器件到應用進行了橫向比較。

從材料參數來看，三者都展現出明顯區別于傳統寬禁帶半導體的潛力。論文給出的臨界電場約為8 MV/cm（β-Ga?O?）、10 MV/cm（金剛石）和15 MV/cm（AlN）。較高的臨界電場意味著器件在相同耐壓要求下有望縮小有源層厚度，從而為高壓、高功率器件設計提供新的空間。論文同時指出，三種材料的理論Baliga品質因數約為GaN的2～19倍。

但材料性能并不意味著器件能夠直接實現。論文因此沒有停留在參數比較，而是進一步考察了三類材料從晶體生長、外延，到二極管、功率晶體管和RF器件的發展情況，并以擊穿電壓、比導通電阻、功率品質因數以及截止頻率等指標進行評價。

β-Ga?O?：高電場與大尺寸襯底優勢突出

β-Ga?O?是目前研究最充分的超寬禁帶材料之一。論文指出，其禁帶寬度約為4.85 eV，臨界電場最高可達到8 MV/cm，同時已經能夠通過多種晶體生長方法獲得原生襯底，尺寸也已經推進至6英寸甚至8英寸。

圖1. 垂直γ-Ga?O? SBD的典型結構。（a）簡單SBD。（b）帶FP的SBD。（c）具有邊緣終止結構的SBD，該結構最終可與FP耦合。（d）溝槽MOS SBD。（e）HJD。（f）具有

結終止延伸結構的SBD。（g）HSJ。

這一點是β-Ga?O?區別于部分UWB材料的重要優勢：原生襯底可以減少對異質外延的依賴，并有利于降低界面和熱管理方面的問題。不過，β-Ga?O?自身熱導率較低，同時p型摻雜仍然困難，這些問題會影響其進一步向高功率器件發展。

金剛石：極高熱導率背后的工程挑戰

金剛石則體現了另一種材料路線。論文指出，金剛石具有約10 MV/cm的擊穿電場以及約20 W·cm?1·K?1的超高熱導率，同時硼摻雜可以相對容易地實現p型導電，因此在高壓、高功率和高溫電子器件領域具有獨特潛力。

圖2. 金剛石中場效應晶體管（FET）結構的橫截面示意圖。(a) O端終止型MESFET。(b) O端終止型耗盡型MOSFET。(c) O端終止型反轉型MOSFET。(d) O端終止型p溝道JFET。(e) H端終止型二維超格柵（2DHG）MESFET。(f) H端終止型二維超格柵（2DHG）MOSFET。

但金剛石目前面臨的主要問題并不是材料本身性能不足，而是材料制備和器件工程化。HPHT和MPCVD是主要襯底制備路線，其中HPHT可以獲得高純度、低缺陷的絕緣襯底，但尺寸有限；CVD則能夠形成更適合垂直器件的導電襯底，但位錯密度相對較高。論文還指出，金剛石n型摻雜存在較高激活能，這也限制了其室溫導電性能。

AlN：高臨界電場與射頻潛力并存

AlN具有三類材料中最高的理論臨界電場，論文給出的數值約為15 MV/cm。同時，其較高的熱導率以及與GaN等材料形成異質結構的能力，使其在功率和射頻器件中都具有發展空間。

圖3. (a) 示意性橫截面圖。(b) [199]中報道的無摻雜DPD p-n二極管的AlN摩爾分數及

模擬能帶圖。(c) 具有梯度歐姆接觸的AlN MOSFET的橫截面圖。(d) 具有Si負摻雜的AlN XHEMT橫截面圖。(a)和(b)轉載自T. Kumabe等人，IEEE TED 2024

目前，AlN器件已經實現千伏級擊穿電壓，部分器件的有效擊穿場強達到1～3 MV/cm。但論文也指出，AlN器件技術仍處于較早階段，歐姆接觸質量、p型摻雜以及垂直器件結構等問題仍然突出。另一方面，AlN/GaN/AlN異質結構已經展現出較好的RF性能，體現了AlN與成熟GaN技術結合的潛力。

從“材料性能”走向“器件可實現性”

從全文來看，這篇論文真正關注的并不是簡單判斷哪一種UWB材料性能最好，而是試圖回答一個更現實的問題：這些理論上優異的材料，距離真正具備競爭力的電子器件還有多遠？

答案并不簡單。三類材料都已經展示出高擊穿電場以及功率或射頻器件方面的潛力，但與此同時，也分別受到襯底尺寸、晶體質量、摻雜、歐姆接觸、熱管理以及器件結構等問題制約。也就是說，材料參數優勢只有進一步轉化為穩定、可制造、可集成的器件性能，才能真正形成產業價值。

論文最終認為，β-Ga?O?、金剛石和AlN目前仍處于相對早期的研究階段，但三者在臨界電場、熱導率以及與其他材料體系的集成方面展現出獨特優勢。未來更可能出現的并不是某一種材料完全取代其他材料，而是三類UWB體系圍繞不同應用場景形成共存格局。

這也構成了論文的核心判斷：超寬禁帶半導體的競爭，正在從單純的材料性能競爭，逐漸轉向材料、器件結構與制造技術之間的綜合競爭。 對β-Ga?O?、金剛石和AlN而言，下一階段真正需要突破的，是如何把已經展現出的材料潛力進一步轉化為可重復、可制造、可集成的器件性能。