β-Ga₂O₃、金刚石、AlN，超宽禁带半导体三强竞逐

随着新能源汽车、电力电子、5G通信、雷达以及高压电网等应用不断发展，电子器件正在向更高电压、更高频率和更严苛的工作环境演进。以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体已经显著推动了高效率电力电子和射频技术的发展，但当应用进一步向高压、高频拓展时，其材料性能也逐渐接近新的瓶颈。

SiC和GaN的临界电场约为3 MV/cm。在1～30 kV的局部电网以及30～150 kV的区域电网应用中，如果采用这类材料实现电能转换，需要较厚的外延层来承受高电压，而厚外延层又可能带来额外的电阻和热损耗。由此，更高临界电场的超宽禁带（UWB）半导体开始受到关注。

三类材料成为研究重点

近期，意大利帕多瓦大学研究人员在《IEEE Transactions on Electron Devices》发表综述论文《Ultrawide Bandgap Semiconductors: State of the Art and Technological Challenges》，系统梳理了超宽禁带半导体的研究进展及技术挑战。论文重点聚焦β-Ga₂O₃、金刚石和AlN三类材料，并从材料、器件到应用进行了横向比较。

从材料参数来看，三者都展现出明显区别于传统宽禁带半导体的潜力。论文给出的临界电场约为8 MV/cm（β-Ga₂O₃）、10 MV/cm（金刚石）和15 MV/cm（AlN）。较高的临界电场意味着器件在相同耐压要求下有望缩小有源层厚度，从而为高压、高功率器件设计提供新的空间。论文同时指出，三种材料的理论Baliga品质因数约为GaN的2～19倍。

但材料性能并不意味着器件能够直接实现。论文因此没有停留在参数比较，而是进一步考察了三类材料从晶体生长、外延，到二极管、功率晶体管和RF器件的发展情况，并以击穿电压、比导通电阻、功率品质因数以及截止频率等指标进行评价。

β-Ga₂O₃：高电场与大尺寸衬底优势突出

β-Ga₂O₃是目前研究最充分的超宽禁带材料之一。论文指出，其禁带宽度约为4.85 eV，临界电场最高可达到8 MV/cm，同时已经能够通过多种晶体生长方法获得原生衬底，尺寸也已经推进至6英寸甚至8英寸。

图1. 垂直γ-Ga₂O₃ SBD的典型结构。（a）简单SBD。（b）带FP的SBD。（c）具有边缘终止结构的SBD，该结构最终可与FP耦合。（d）沟槽MOS SBD。（e）HJD。（f）具有

结终止延伸结构的SBD。（g）HSJ。

这一点是β-Ga₂O₃区别于部分UWB材料的重要优势：原生衬底可以减少对异质外延的依赖，并有利于降低界面和热管理方面的问题。不过，β-Ga₂O₃自身热导率较低，同时p型掺杂仍然困难，这些问题会影响其进一步向高功率器件发展。

金刚石：极高热导率背后的工程挑战

金刚石则体现了另一种材料路线。论文指出，金刚石具有约10 MV/cm的击穿电场以及约20 W·cm⁻¹·K⁻¹的超高热导率，同时硼掺杂可以相对容易地实现p型导电，因此在高压、高功率和高温电子器件领域具有独特潜力。

图2. 金刚石中场效应晶体管（FET）结构的横截面示意图。(a) O端终止型MESFET。(b) O端终止型耗尽型MOSFET。(c) O端终止型反转型MOSFET。(d) O端终止型p沟道JFET。(e) H端终止型二维超格栅（2DHG）MESFET。(f) H端终止型二维超格栅（2DHG）MOSFET。

但金刚石目前面临的主要问题并不是材料本身性能不足，而是材料制备和器件工程化。HPHT和MPCVD是主要衬底制备路线，其中HPHT可以获得高纯度、低缺陷的绝缘衬底，但尺寸有限；CVD则能够形成更适合垂直器件的导电衬底，但位错密度相对较高。论文还指出，金刚石n型掺杂存在较高激活能，这也限制了其室温导电性能。

AlN：高临界电场与射频潜力并存

AlN具有三类材料中最高的理论临界电场，论文给出的数值约为15 MV/cm。同时，其较高的热导率以及与GaN等材料形成异质结构的能力，使其在功率和射频器件中都具有发展空间。

图3. (a) 示意性横截面图。(b) [199]中报道的无掺杂DPD p-n二极管的AlN摩尔分数及

模拟能带图。(c) 具有梯度欧姆接触的AlN MOSFET的横截面图。(d) 具有Si负掺杂的AlN XHEMT横截面图。(a)和(b)转载自T. Kumabe等人，IEEE TED 2024

目前，AlN器件已经实现千伏级击穿电压，部分器件的有效击穿场强达到1～3 MV/cm。但论文也指出，AlN器件技术仍处于较早阶段，欧姆接触质量、p型掺杂以及垂直器件结构等问题仍然突出。另一方面，AlN/GaN/AlN异质结构已经展现出较好的RF性能，体现了AlN与成熟GaN技术结合的潜力。

从“材料性能”走向“器件可实现性”

从全文来看，这篇论文真正关注的并不是简单判断哪一种UWB材料性能最好，而是试图回答一个更现实的问题：这些理论上优异的材料，距离真正具备竞争力的电子器件还有多远？

答案并不简单。三类材料都已经展示出高击穿电场以及功率或射频器件方面的潜力，但与此同时，也分别受到衬底尺寸、晶体质量、掺杂、欧姆接触、热管理以及器件结构等问题制约。也就是说，材料参数优势只有进一步转化为稳定、可制造、可集成的器件性能，才能真正形成产业价值。

论文最终认为，β-Ga₂O₃、金刚石和AlN目前仍处于相对早期的研究阶段，但三者在临界电场、热导率以及与其他材料体系的集成方面展现出独特优势。未来更可能出现的并不是某一种材料完全取代其他材料，而是三类UWB体系围绕不同应用场景形成共存格局。

这也构成了论文的核心判断：超宽禁带半导体的竞争，正在从单纯的材料性能竞争，逐渐转向材料、器件结构与制造技术之间的综合竞争。 对β-Ga₂O₃、金刚石和AlN而言，下一阶段真正需要突破的，是如何把已经展现出的材料潜力进一步转化为可重复、可制造、可集成的器件性能。

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