超寬禁帶半導(dǎo)體材料的發(fā)展

按照推出時(shí)間早晚劃分，半導(dǎo)體材料目前已經(jīng)劃分到了第三代。第一代是從集成電路發(fā)明開(kāi)始，最先晶體管是鍺材料，后面發(fā)展成硅材料。

第二代半導(dǎo)體材料是20世紀(jì)八九十年代推出的砷化鎵和1990年后才開(kāi)始真正用到了產(chǎn)業(yè)上的磷化銦材料。

2000年以后，主要是第三代半導(dǎo)體材料，以氮化鎵和碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體。2005年以后開(kāi)始出現(xiàn)超寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度在4eV以上(也有說(shuō)3.4eV以上，氮化鎵的禁帶寬度為3.4eV)的材料稱為超寬禁帶，包括目前比較典型的氧化鎵、金剛石和氮化鋁。這些新材料的引入對(duì)半導(dǎo)體體系有很大發(fā)展和補(bǔ)充。今天我們來(lái)聊一聊超寬禁帶半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體材料的劃代

一

禁帶寬度的概念

禁帶寬度是指一個(gè)能帶寬度（單位是電子伏特(eV)），固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶。要導(dǎo)電就要有自由電子存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶（能導(dǎo)電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從而躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。半導(dǎo)體材料基本物理性質(zhì)均與禁帶寬度相關(guān)，禁帶寬度越窄，材料的物性傾向于金屬，反之則傾向于絕緣體。

二

分類

現(xiàn)有半導(dǎo)體材料根據(jù)禁帶寬度不同分為：窄禁帶半導(dǎo)體材料（帶隙小于2.3eV的鍺、硅及III-V價(jià)元素等）、寬禁帶半導(dǎo)體材料（帶隙3.3～3.4eV的SiC、GaN）及超寬禁帶半導(dǎo)體材料（帶隙大于3.4eV的AlGaN/AlN、金剛石、Ga 2 O 3 及氮化硼（BN）等））。

超寬禁帶半導(dǎo)體(帶隙均大于GaN（3.4eV），其擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子遷移率等性質(zhì)，以及耐高壓、耐高溫、高頻、抗輻射能力均優(yōu)于現(xiàn)有已經(jīng)應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體材料。在超高壓電力電子器件、射頻電子發(fā)射器、深紫外光電探測(cè)器、量子通信和極端環(huán)境應(yīng)用等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

三

超寬禁帶半導(dǎo)體材料

下表中列出了AlN、金剛石、Ga 2 O 3 和BN等材料的重要物理性質(zhì)及相應(yīng)的應(yīng)用范圍。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，4種不同的超寬禁帶半導(dǎo)體材料特性不一致，每一種都至少在其中一個(gè)重要物理性質(zhì)上表現(xiàn)不佳，如AlN和Ga 2 O 3 不能進(jìn)行p型摻雜；金剛石襯底質(zhì)量與尺寸受限等。這一特征從本質(zhì)上決定了其應(yīng)用領(lǐng)域及潛在應(yīng)用需求的不同。

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1

氮化鋁（AlN）

氮化鋁（AlN）的直接帶隙禁帶最大寬度為6.2eV，相對(duì)于間接帶隙半導(dǎo)體有著更高的光電轉(zhuǎn)換效率。AlN作為重要的藍(lán)光和紫外發(fā)光材料，應(yīng)用于紫外/深紫外發(fā)光二極管、紫外激光二極管以及紫外探測(cè)器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成連續(xù)的固溶體，其三元或四元合金可以實(shí)現(xiàn)其帶隙從可見(jiàn)波段到深紫外波段的連續(xù)可調(diào)，使其成為重要的高性能發(fā)光材料。

同時(shí)，AlN晶體是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底。與藍(lán)寶石或SiC襯底相比，AlN與GaN熱匹配和化學(xué)兼容性更高、襯底與外延層之間的應(yīng)力更小。因此，AlN晶體作為GaN外延襯底時(shí)可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制備高溫、高頻、高功率電子器件方面有很好的應(yīng)用前景。

另外，用AlN晶體做高鋁（Al）組份的AlGaN外延材料襯底還可以有效降低氮化物外延層中的缺陷密度，極大地提高氮化物半導(dǎo)體器件的性能和使用壽命?；贏lGaN的高質(zhì)量日盲探測(cè)器已經(jīng)獲得成功應(yīng)用。此外，AlN具有很高的非線性光學(xué)系數(shù)，可應(yīng)用于二次諧波發(fā)射器。

2

金剛石

金剛石在室溫下間接帶隙禁帶寬度為5.47eV。金剛石屬立方晶系，其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的碳-碳（C-C）鍵相互作用使其具有極高的擊穿電場(chǎng)、極高的功率容量、極高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、高飽和載流子速度和遷移率、化學(xué)穩(wěn)定性和發(fā)光特性。更為重要的是其各種優(yōu)越性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，使得金剛石成為最有潛力的寬帶隙半導(dǎo)體材料，可應(yīng)用于大功率電力電子器件、毫米波器件、高頻電子器件、激光器器件及量子信息傳輸?shù)取?/span>

3

氧化鎵

Ga2 O3 禁帶寬度為4.2～5.3eV（不同晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致帶隙差別）。與寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，Ga2 O3 擁有高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8MV/cm）、低的能量損耗、高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)。在電力電子器件如場(chǎng)效應(yīng)晶體管、日盲紫外光電探測(cè)器、紫外透明導(dǎo)電電極、LED基板、信息存儲(chǔ)器、氣敏傳感器、光催化等領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，是一種極具應(yīng)用潛力的多功能超寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料。

4

BN

BN禁帶寬度為6.0eV，具有更低的介電常數(shù)（7.1eV）、更高的擊穿電場(chǎng)（7～9MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上）和更高的熱導(dǎo)率（13W/(cm·K)，是Si和GaN的10倍）。作為極端電子學(xué)材料，BN不僅可用于制備高溫、高頻、大功率等極端條件下工作的電子器件，在深紫外發(fā)光器件和深紫外探測(cè)器方面也有著廣泛的應(yīng)用前景，與GaN、SiC等傳統(tǒng)寬帶隙半導(dǎo)體材料一起構(gòu)成了從藍(lán)綠光到深紫外的全波段發(fā)光材料，是寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的新方向。

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