超宽禁带半导体材料的发展

按照推出时间早晚划分，半导体材料目前已经划分到了第三代。第一代是从集成电路发明开始，最先晶体管是锗材料，后面发展成硅材料。

第二代半导体材料是20世纪八九十年代推出的砷化镓和1990年后才开始真正用到了产业上的磷化铟材料。

2000年以后，主要是第三代半导体材料，以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体。2005年以后开始出现超宽禁带半导体，禁带宽度在4eV以上(也有说3.4eV以上，氮化镓的禁带宽度为3.4eV)的材料称为超宽禁带，包括目前比较典型的氧化镓、金刚石和氮化铝。这些新材料的引入对半导体体系有很大发展和补充。今天我们来聊一聊超宽禁带半导体材料。

半导体材料的划代

一.禁带宽度的概念

禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(eV))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关，禁带宽度越窄，材料的物性倾向于金属，反之则倾向于绝缘体。

二.分类

现有半导体材料根据禁带宽度不同分为：窄禁带半导体材料(带隙小于2.3eV的锗、硅及III-V价元素等)、宽禁带半导体材料(带隙3.3～3.4eV的SiC、GaN)及超宽禁带半导体材料(带隙大于3.4eV的AlGaN/AlN、金刚石、Ga 2 O 3 及氮化硼(BN)等))。

超宽禁带半导体(带隙均大于GaN(3.4eV)，其击穿电场、热导率、电子迁移率等性质，以及耐高压、耐高温、高频、抗辐射能力均优于现有已经应用的宽禁带半导体材料。在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域有巨大的应用前景。

三.超宽禁带半导体材料

下表中列出了AlN、金刚石、Ga 2 O 3 和BN等材料的重要物理性质及相应的应用范围。通过数据对比可知，4种不同的超宽禁带半导体材料特性不一致，每一种都至少在其中一个重要物理性质上表现不佳，如AlN和Ga 2 O 3 不能进行p型掺杂;金刚石衬底质量与尺寸受限等。这一特征从本质上决定了其应用领域及潜在应用需求的不同。

1.氮化铝(AlN)

氮化铝(AlN)的直接带隙禁带最大宽度为6.2eV，相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料，应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体，其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调，使其成为重要的高性能发光材料。

同时，AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此，AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。

另外，用AlN晶体做高铝(Al)组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。此外，AlN具有很高的非线性光学系数，可应用于二次谐波发射器。

2.金刚石

金刚石在室温下间接带隙禁带宽度为5.47eV。金刚石属立方晶系，其特殊的晶体结构和强的碳-碳(C-C)键相互作用使其具有极高的击穿电场、极高的功率容量、极高热导率、低介电常数、高饱和载流子速度和迁移率、化学稳定性和发光特性。更为重要的是其各种优越性质的综合体现，使得金刚石成为最有潜力的宽带隙半导体材料，可应用于大功率电力电子器件、毫米波器件、高频电子器件、激光器器件及量子信息传输等。

3.氧化镓

Ga2 O3 禁带宽度为4.2～5.3eV(不同晶体结构导致带隙差别)。与宽禁带半导体材料相比，Ga2 O3 拥有高的击穿场强(8MV/cm)、低的能量损耗、高的热稳定性和化学稳定性等优势。在电力电子器件如场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、LED基板、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景，是一种极具应用潜力的多功能超宽禁带氧化物半导体材料。

4.BN

BN禁带宽度为6.0eV，具有更低的介电常数(7.1eV)、更高的击穿电场(7～9MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上)和更高的热导率(13W/(cm·K)，是Si和GaN的10倍)。作为极端电子学材料，BN不仅可用于制备高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，在深紫外发光器件和深紫外探测器方面也有着广泛的应用前景，与GaN、SiC等传统宽带隙半导体材料一起构成了从蓝绿光到深紫外的全波段发光材料，是宽禁带半导体发展的新方向。

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