r-GeO₂屬於何種半導體？
我們日常生活中不可或缺的電器（如電視、空調、汽車及工業機械）皆透過轉換與控制電力來運作。功率半導體在高效轉換與控制電力方面扮演關鍵角色。
金紅石型二氧化鍺（r-GeO₂）正作為次世代功率半導體材料備受矚目。
相較於傳統材料，r-GeO₂具備成為「理想開關」的潛力，能大幅降低功率損耗並實現更高效的電力轉換。此特性源於其卓越的物理屬性：寬禁帶特性賦予其承受高擊穿電場的能力，且理論預測可同時實現p型與n型摻雜。基於上述特性，二氧化鍺預期將廣泛應用於各領域，並有望大幅提升電力利用效率。隨著製造技術的進步，其量產之路已初具雛形。
r-GeO₂ 基本物理性質表
| 特性 | r-GeO₂ |
|---|---|
| 帶隙 (eV) | 4.45~4.77(Measured) |
| 擊穿電場 (MV/cm) | |
| 電子遷移率 (cm²/Vs)) | |
| 空穴遷移率 (cm²/Vs) | |
| 熱導率 (W/m K) | |
| 平均熱膨脹係數 (/K) (Room temp. -600℃)((001) plane) | 3.9×10⁻⁶(Measured)* |
| Baliga’s 優值 (Si=1) | |
| 維氏硬度 (Hv) （(110) plane) | 1610 (Measured)* |
| 楊氏模量 (GPa) | 293GPa(Measured)* |
(文獻報導中的帶隙值為 4.85–5.63)
*n=1。
目前留白的物性數值仍在測量中，一旦取得可公開的數據，我們將立即更新。
r-GeO₂的特性
・高電壓、低能量損耗
高擊穿電場確保即使在高壓環境下仍能穩定運作，大幅降低電力轉換過程中的能量損耗。此特性有助提升系統效率並抑制發熱。
・輕巧緊湊
低損耗特性使裝置得以微型化，直接為終端產品節省空間與減輕重量。此特性提升設計彈性，並促進新應用領域的發展。
・環保製造製程
GeO₂製造工藝有別於SiC的昇華法（需超過2000℃），可在低於1000℃的薄膜沉積溫度下生產。同時免除昂貴真空環境需求，大幅降低能耗，兼具環保效益與製造成本優勢。此外，其硬度低於碳化矽，且不具備氧化鎵般的解理特性，使元件製程更為簡便。此特性顯著提升元件製造良率並降低生產成本。
・高品質晶體
可製造塊狀晶體，並透過同質外延生長技術實現高品質晶體薄膜。
・助力節能社會
降低電力轉換過程中的能量損耗，有助減少二氧化碳排放，推動實現永續低碳社會。
・開拓嶄新應用領域
實現傳統半導體難以達成的高功率、高電壓電力控制，驅動工業、交通等多元領域的技術創新。
r-GeO₂半導體的未來挑戰
建立p型導電的驗證與控制技術
・理論上雖可實現p型與n型導電，但p型導電的實驗驗證仍面臨重大挑戰。
・目前雖有n型導電的實證報告，但p型導電仍處於確認其可能性的電氣特性階段。需全面驗證雙極性導電特性，並開發能穩定實現與控制的摻雜技術。
提升擊穿電壓與可靠性
・功率半導體需具備高可靠性，以承受高壓控制時的電氣擊穿現象。
・r-GeO₂ 擁有極大帶隙（4.7 eV），顯示其具備高擊穿電壓潛力。然而，建立抑制擊穿現象並防止實際器件運作中物理損壞的技術，仍是亟待解決的課題。
薄膜沉積技術與高品質晶體生長
・製造半導體元件時，具備高品質薄膜沉積技術與缺陷極少的單晶生長技術至關重要。
・針對新型材料r-GeO₂，必須優化適用於量產且品質穩定的專有薄膜沉積製程，並確保與基板材料的相容性。
裝置結構優化與評估
・確認材料基本特性後，需設計並製備晶體管等裝置結構，並詳細評估其電氣特性。
・建立能最大化其理論潛能的最適化器件結構與製程技術，是實現實用化的關鍵。透過克服這些挑戰，預期r-GeO₂將超越現有寬禁帶半導體（如碳化矽、氮化鎵），成為終極節能元件，應用於輸電系統與電動車等領域。
r-GeO₂基板實務應用之挑戰
・需具備至少6吋的大直徑基板。
為使功率元件製造商能運用r-GeO₂基板生產功率元件，必須供應尺寸符合現有生產設備（6吋或更大）的r-GeO₂基板。
・難以轉向6吋獨立基板（體相基板）。
欲實現6吋r-GeO2獨立基板，需生長直徑達100毫米以上的單晶砧錠。然而，目前生產的單晶直徑僅約5毫米，意味著實現6英寸基板需要漫長的開發週期。此外，由於原料（鍺）價格飆升，即使實現6英寸r-GeO2獨立基板，預計基板價格仍難以降低。
・適用於大面積製程與低成本生產的矽基板上二氧化鍺
若能在廉價的矽基板上異質外延生長單晶r-GeO₂薄膜，將能大幅減少二氧化鍺原料用量。此技術可提供成本低於現行碳化矽基板的次世代半導體r-GeO₂基板。此外，透過採用導電材料作為緩衝層——此為實現r-GeO2單晶薄膜在Si基板上異質外延生長的關鍵——我們致力實現GeO2在Si基板上的應用。此技術將促進垂直器件結構的實現，此類結構在功率器件中屬常見配置。
・適用於超高性能功率器件的半英寸r-GeO2懸浮式基板
目前正致力開發尺寸達半英吋（0.5英吋）的r-GeO2獨立基板。此類基板除適用於大學及研究機構的基礎研究外，其卓越的晶體品質更可應用於傳統材料難以觸及的領域，例如超高壓功率元件及抗輻射功率元件。
預期應用領域
電動車（EV）／鐵道系統
電力轉換效率的提升有助延長電動車續航里程、縮短充電時間，並使逆變器體積更小、重量更輕。此技術亦應用於軌道車輛動力系統。
再生能源
應用於太陽能與風力發電的電力調節器，最大化轉換效率並降低傳輸損耗，加速清潔能源普及。
工業設備
應用於工廠內的馬達控制與供電設備，實現系統整體節能效益。
資料中心
應用於資料中心伺服器電源供應器，實現系統整體節能效益。
家用電器
內建於空調、冰箱等家電的變頻器中，顯著降低耗電量。支持實現更高性能且環保的家用電器。
各類電源裝置
從智慧型手機充電器到工業電源供應器，我們透過實現所有電力轉換裝置的高效率與小型化，推動能源使用的優化。