氮化物宽禁带半导体—第三代半导体技术
对于第三代半导体氮化镓,你知道多少?

对于第三代半导体氮化镣,你知道多少?目录1 .氮化钱简介 (1)2 .什么是高电子迁移率晶体管 (1)3 .硅基晶体管与电子时代的到来 (2)4 .氮化线半导体的快速发展 (2)5 .氮化铁器件的工作原理 (3)1 .氮化钱简介氮化铉(GaN)是一种非常坚硬且机械性能非常稳定的宽禁带半导体材料。
由于具有更高的击穿强度、更快的开关速度、更高的热导率和更低的导通电阻,GaN基功率器件明显优于硅基器件。
GaN晶体可以在各种衬底上生长,包括蓝宝石、碳化硅(SiC)和硅(Si)。
在硅上生长氮化钱外延层,可以利用现有的硅制造基础设施,消除了对高成本的特定生产设施的需要,并以低成本使用大直径硅芯片。
氮化钱用于制造半导体功率器件,也可用于制造射频元件和发光二极管(1ED)o KeePTOPS的氮化钱技术显示其可在功率转换、射频和模拟应用中取代硅基半导体技术。
2 .什么是高电子迁移率晶体管使用二维电子气(2DEG),由两种不同带隙材料之间的结组成。
与同等的基于硅的解决方案相比,GaN基HEMT的开关速度更快,具有更高的热导率和更低的导通电阻,允许GaN晶体管和集成电路用于电路,以提高效率、缩小尺寸并降低各种电源转换系统的成本。
一百多年前,在电子时代的黎明,电源设计工程师努力寻找理想的开关,一种能够实现快速、高效功率转换的开关,将原始电能转换成可控的、有用的流动电子。
首先是真空管技术。
而且,由于其产生大量热量而导致的能量效率较低,而且体积大、成本高,限制了它的应用。
然后在20世纪50年代,晶体管被广泛使用。
它的小体积和高效率使它成为工业界的“圣杯”,它迅速取代了真空管,同时推动了巨大的、全新的市场发展,这是真空管技术所不能实现的。
3 .硅基晶体管与电子时代的到来硅很快成为制造半导体晶体管的首选材料。
这不仅是因为其固有的优越的电气特性,而且还因为它的生产成本比真空管。
此后,在20世纪70年代和80年代,硅基晶体管和随后的集成电路发展迅速。
【精品文章】第三代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)

第三代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)与氮化镓
(GaN)
在半导体行业的发展进程中,人们通常把Si和Ge元素半导体称为第一代电子材料,把GaAs、InP、InAs等化合物半导体称为第二代半导体材料,而把Ⅲ族氮化物(主要包括GaN、相关化合物InN、AIN及其合金)、SiC、InSe、金刚石等宽带隙的化合物半导体称为第三代半导体材料。
图1:半导体
半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料,我们生活的方方面面都离不开半导体技术,电器、灯光、手机、电脑、电子设备等都需要半导体材料制造,第三代半导体材料发展较好的为碳化硅(SIC)与氮化镓(GaN),其中碳化硅的发展更早一些。
碳化硅晶体结构具有同质多型的特点,其基本结构是Si-C四面体结构。
它是由四个Si原子形成的四面体包围一个碳原子组成,按相同的方式一个Si原子也被四个碳原子的四面体包围,属于密堆积结构。
氮化镓是氮和镓的化合物,是一种直接能隙的半导体,该化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。
氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中。
我们来看看氮化镓与碳化硅两者间的关键特性有什么区别。
碳化硅与氮化镓的关键特性对比:
关键特性
单位。
北大教授《宽禁带半导体》报告

6 Band gap energy (eV) 5 4 3 2 1 1.8
InN GaN ZnO AlP GaP
GaAs InP
2.0
2.2 2.4 2.6 2.8 Bond length (Å)
3.0
Group III-nitrides: covering the wavelength region from UV to IR
LD: 400-410nm
ΔEC ~2eV
Nichia
LED-Generated indoor/outdoor lighting, LD-Underwater communications, High-resolution printings, High density data storage, Full-color film printers, Projection television Photodetector, Air pollution detection, Biomedical Uses, etc.
High electron drift velocity, high breakdown voltage, high sheet carrier density without doping
颜色与波长
400
波长nm λ=460nm=0.46μm; Eg=1.24/0.46=2.7eV; X=2.1eV
Physical Properties of Typical Semiconductors for High Power Electronic Devices
Material Si GaAs GaN 4HSiC 6HSiC
Eg
(eV) 1.10 1.40 3.39 3.26 3.00
第三代半导体概念

第三代半导体概念•一、背景简介•半导体材料是半导体产业链上游中的重要组成部分,在集成电路、分立器件等半导体产品生产制造中起到关键性的作用。
目前全球的半导体产业游正向中国大陆转移,中国晶圆厂扩产的步伐已逐渐加快。
伴随着国内晶圆厂的投产,将产生更多半导体材料的需求,市场需求空间被打开。
•第三代半导体材料是以碳化硅(Sic)、氮化掠(Gal)、氧化锌(zo)、金刚石、氮化铝(AIN)为代表的宽禁带半导体材料,目前碳化硅(sic)和氮化綜(Gal)是主流,具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率、可承受大功率等特点。
•三代半导体材料比较:••第三代半导体材料具有抗高温、高功率、高压、高频以及高辐射等特性,相比s基半导体可以降低50%以上的能量损失,同时使装备体积减小75%人上。
•第三代半导体属于后摩尔定律概念,制程和设备要求相对不高,难点在于第三代半导体材料的制备,同时在设计上要有优势。
由于制造设备、制造工艺以及成本的劣势,多年来第三代半导体材料只是在小范围内应用,无法挑战si基半导体的统治地位。
•二、产业链情况•半导体材料是产业链上游环节中非常重要的一环,主要分为基体材料、晶圆制造材料、封装材料和关键元器件材料。
半导体行业经过近六十年的发展,半导体材料经历了三次明显的换代和发展。
相比于第一、二代半导体,第三代半导体基体材料具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率,在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。
•GaN侧重高频性能,广泛应用于基站、雷达、工业、消费电子领域。
预计到2022年,GaN器件的市场规模将超过25亿美元,年复合增长率为17%,5G基站以及快充两个领域复合增速较快,有望成为GaN市场快速增长的主要驱动力。
•(1)5G基站•GaN射频器件更能有效满足5G高功率、高通信频段的要求,未来5G基站GaN将逐步取代LDMOS市场空间,基于GaN工艺的基站占比将由50%增至58%,带来大量GaN需求。
第3代半导体产业发展概况

第3代半导体产业发展概况作者:于灏蔡永香卜雨洲,等来源:《新材料产业》 2014年第3期文/于灏蔡永香卜雨洲谢潜思北京新材料发展中心第3代半导体是指以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、金刚石、氧化锌(ZnO)为代表的宽禁带半导体材料,各类半导体材料的带隙能比较见表1。
与传统的第1代、第2代半导体材料硅(Si)和砷化镓(GaAs)相比,第3代半导体具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能,使其在光电器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器件等方面展现出巨大的潜力,是世界各国半导体研究领域的热点。
一、主要应用领域的发展概况目前,第3代半导体材料正在引起清洁能源和新一代电子信息技术的革命,无论是照明、家用电器、消费电子设备、新能源汽车、智能电网、还是军工用品,都对这种高性能的半导体材料有着极大的需求。
根据第3代半导体的发展情况,其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域,每个领域产业成熟度各不相同(见图1)。
1.半导体照明在4个应用领域中,半导体照明行业发展最为迅速,已形成百亿美元的产业规模。
半导体照明所使用的材料体系主要分为3种:蓝宝石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每种材料体系的产品都对应不同的应用。
其中,蓝宝石基GaN是最常用的,也是最为成熟的材料体系,大部分LED照明都是通过这种材料体系制造的。
SiC基GaN制造成本较高,但由于散热较好,非常适合制造低能耗、大功率照明器件。
Si基GaN是3种材料体系中制造成本最低的,适用于低成本显示。
2.电力电子器件在电力电子领域,宽禁带半导体的应用刚刚起步,市场规模仅为几亿美元。
其应用主要集中在军事尖端装备领域,正逐步向民用领域拓展。
微波器件方面,GaN高频大功率微波器件已开始用于军用雷达、智能武器和通信系统等方面。
在未来,GaN微波器件有望用于4G~5G移动通讯基站等民用领域。
宽禁带半导体光电材料研究进展

宽禁带半导体光电材料的研究及其应用宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。
主要包括金刚石、SiC、GaN等。
和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。
以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。
近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。
氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。
利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。
与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。
这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。
虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。
经过近20年的努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能;1989年,Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结;1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管,效率达到5%,赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率,寿命超过一万小时。
第三代半导体材料GaN

第三代半导体材料GaNGaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点,是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料,并与SIC、金刚石等半导体材料一起,被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。
它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)等性质和强的抗辐照能力,在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。
在宽禁带半导体材料中,氮化镓由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰,发展较为缓慢,但进入90年代后,随着材料生长和器件工艺水平的不断发展,GaN 半导体及器件的发展十分迅速,目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。
GaN半导体材料的应用首先是在发光器件领域取得重大突破的。
1991年,日本日亚(Nichia)公司首先研制成功以蓝宝石为衬底的GaN蓝光发光二极管(LED),之后实现GaN 基蓝、绿光LED的商业化。
该公司利用GaN基蓝光LED和磷光技术,开发出了白光发光器件产品,具有高寿命、低能耗的特点。
此外,还首先研制成功GaN基蓝光半导体激光器。
用GaN基高效率蓝绿光LED制作的超大屏幕全色显示,可用于室内室外各种场合的动态信息显示。
高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源,使用寿命超过10万小时,可比白炽灯节电5~10倍,达到了节约资源、减少环境污染的双重目的。
目前,GaN基LED 的应用十分广泛,您每天都可能会见到它的身影,在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、小孩的玩具中甚至闪光灯里。
GaN基LED的成功引发了光电行业中的革命。
GaN基蓝光半导体激光器主要用于制作下一代DVD,它能比现在的CD光盘提高存储密度20倍以上。
利用GaN材料,还可以制备紫外(UV)光探测器,它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具有广泛的应用。
此外,在电子器件方面,利用GaN材料,可以制备高频、大功率电子器件,有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。
光子产业和集成电路,三代半导体的相关介绍

光子产业和集成电路,三代半导体的相关介绍
(最新版)
目录
1.光子产业和集成电路的概述
2.三代半导体的简介
3.三代半导体在光子产业和集成电路中的应用
4.我国在光子产业和集成电路领域的发展
5.总结
正文
光子产业和集成电路是现代科技领域的两个重要分支,其中光子产业主要研究光子的产生、传输、检测和应用,而集成电路则是由大量的半导体元件组成的一种电子器件。
三代半导体,作为半导体材料的一种,其在光子产业和集成电路中发挥着重要作用。
三代半导体,又称为宽禁带半导体,包括氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等材料,具有禁带宽度大、击穿电场高、热稳定性好等特点,因此,其被广泛应用于光子产业和集成电路中。
例如,氮化镓可以制成蓝光 LED 和激光器,碳化硅则可以制成高功率器件等。
我国在光子产业和集成电路领域也有着不错的发展。
近年来,我国在光子产业和集成电路领域投入了大量的人力、物力和财力,不仅在技术上取得了一系列的突破,而且在产业上也逐渐形成了一定的规模。
然而,与国际先进水平相比,我国在该领域的研究和应用仍有一定的差距,需要进一步的努力和发展。
总的来说,光子产业和集成电路是现代科技的重要组成部分,而三代半导体则是这两个领域中的关键材料。
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氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术
张国义1,李树明2
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北囊1∞耵1
i盲謦。
莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量.巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状.市场分析与攮测.由此-u蚪再}11.氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一.t为第三代半■体拄术,育形成蠢科技臣夫产_t群的r口艟
性.也存在着蠢积的竞争和蕞{;‘翻舶风龄.
众所周知,以Ge,Si为基础的半导体技术,奠定丁二十世纪电子工业的基础.其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品.形成了巨大的徽电子产业
群。
其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度.如12英寸/0.15微米技术.是成
功的标志,被称之为第一代半导体技术.以G“s.InP.包括G吐l^s,IfIGaAsP,InGaAlP瞢
III—v族砷化物和碑化韵半导体技术,奠定了二十世纪光电子产业的基础,其主要产品形
式是以光发射器件,如半导体发光二极管(L肋)和激光嚣(LD)等.为基础的光显示.
光通讯,光存储等光电子系统,形成了巨大的信息光电产业群。
其技术水平标志是使通讯
速度,信息容量,存储密度大幅度提高,被称之为第二代半导体技术.
对徽电子和光电子领域来说,二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题.高速仍然是微电子的追求目标,高温大功率还是没有很好解决的问题;光电子的
主要发展趋势是全光谱的发光器件,特别是短波长(绿光.蓝光.咀至紫外波段)LED和
LD.光电集成(0EIc)是人们长期追求的目标,由于光电材料的不兼容性,还没有很好的
实现。
事实上.这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定,不可舱解决的问
题。
它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料.而这一工作二十世纪后半叶就已经开
始.在世纪之交得以确认。
那就是第三代半导体技术一III一族氮化物半导体技术.
GaN、AlN和InN以及由它们组成的三元合金是主要的III族氰化物材料.所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构,而在一些特定的条件下,例如在立方豸多。
衬底上外延时,GaN和InN能够形成立方对称性的闪锌矿结构.这两种结构只是原子层的
堆积次序不同,它们的原予最近邻位置几乎完全相同,而次近邻位置有所不同,因而它们
的性质根接近。
三元合金A1GaN,InGaN也是重要的氰化物材料。
它们的禁带宽度基本符
合vegard定理[1,2]。
№tsuoka[3]通过计算指出AlN与GaN可咀组成组份连续变化的合
金,IrIN与GaN则存在较大的互熔间隙.
以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来,并已经广泛用来制备高亮度蓝。
绿光平"白光LED,蓝光到紫外波段的激光器(LD),繁外光传感器,等光屯子器件:高温人功率场
设麻品体管(FET).双极晶体管(HBT),高电子迁移率晶体管(HEMT)等徽电子器
什:这些器件构成了全色火屏幕LED显示和交通信号灯等应Hj的RGB1:鞋:向光LED将构
・17・
成照明光灏更新抉代的节能舶绿色照明光源工程;短波长LD将成为第三代DvD.cvD.
cDR删,:事高密度光存储工程:紫外光传感器和高温大功率微电子器件将广。
泛用于霄防1i
榉.
所有这些发展。
都预言着氮化物半导体巨大的.不断发展的应用前景和市场。
为了促
进我国光电子产业迅速发展,适应市场需要,迅速开发出大批量生产技术.就有可能形成
中田白己的以氮化物为基础的第三代半导体技术大产业群。
对丁:氮化物半导体市场的精确估计是很困难的,因为它的发展太快。
美田商业通讯
公司1998年公布的世界1997年氯化物蓝.绿光LBD的产值为1亿8千9百5十万美元。
市场份额分别由日本的Nichia公司、To”daG0sei公司和美嗣CreeResearch公司和
H“lett—P扯kard所占有.占有率分别为59%,14%,21%和6%。
与1997年的市场需
求相比较,有接近2亿美元的缺额.2001年氰化锿蓝光L功的市场为Us¥99l_翎,氮化物
短渡长LD市场将达到US¥2咖.白光L∞将取代目1I|的照明光源,成为二十~世纪光电子
产业量大的商机.这些数据衰明,氮化镓蓝光L皿市场是巨大的,并逐年持续发展。
对于
如此巨大的市场和商机.自然引起各田政府,科技界和企业界的高度重视和巨额投入,一
场激烈竞争的蓝色风暴在世界范围内迅速形成。
我田量阜开晨氮化物研究是原中科院长春物理所.1987年采用VPE技术,在A120:。
衬底上外延生长GaN:1993年,北京大学首先在囱内采用岫CvD技术,开展氮化物的研
究:随后中科院半导体所,中科院北京物理所,原中科院长春物理所,信息产业部13
所,南京大学.江西大学,大连理工大学,复旦大学,上海光机所等单位也相继开展氮化
物材料生长和器件应用的研究的研究.相若物理性质研究的单位就更多了。
研究方法和内
容都有了相当大的扩晨。
使我田在氯化物领域有了一定的研究,开发和生产的基础。
有些
方面还处于国际领先的地位.
目前氮化物半导体研究和开发中.存在的主要问题大体有以下几个方面:
1.衬底问题.氮化物半导体不同于其它半导体的主要问题是缺少理想的GaN单晶做
作为衬底.使得外延生长不得不采用异质外延技术,甚至不得不采用高失配的衬底,例如
Al。
吼村底上外延生长GaN.晶格失配高达16.3%。
这使得高质量的外延生长十分凼难。
尽
管.二十1H=纪90年代发展起来的两步生长技术,取得了巨大大进展。
但是,与其它、卜导体
材料相比,还有相当丈的差距.尽管各种解决c删单晶村底的方法都在被研究,但是目
前还看不出真止被解决的迹象.
2.P一型掺杂问琏.目翦唯一获得.P一型掺杂的是Mg一掺杂.但是由于Mg一掺杂过稃
中.被H钝化以及虹的电离能较高,经过氯气氛保护下的退火技术,最后得到的空穴浓
度只是掺杂诔度的百分之儿。
一般在107cm。
’量级。
这样就给欧姆接触屯极的制备,带米
相当人的困滩.以至不得不采H{通过损失亮度的方法,而增加电流密度构透明电极的方
・18・
^—一一一…—1藤磊孤弱F———————————_一
法。
这对丁LED还是勉强可行的,对丁:LD,则必须加以解决.
3.高组份InG州的制备。
由于互溶间隙的存在以及InN较高的平衡燕_j气压,使得耍得到所需波长的相应组份的的InGaN.十分困难.因此,对蓝.绿光L即.通常采Hl掺杂的方式-通过杂质带的跃迁获得所需波段的发光.这种方法对于LD是绝对行不通的。
因此,采用应变量子井的方法,来增加.In的组份,改变发光波长。
这种方法常常导致组份分凝现象.形成零维量子点.当厚度超过临界层厚度时,一种微坑缺陷就会产生,严重影响器件质量.
4.P一型欧姆接触.正是由于问题2的存在,产生相关问题3。
目前采用Ni/Au蒸镀膜,经过适当的热退火,可将比接触电阻降到10t到10一。
一cm2之间.进一步降低.P一型欧姆接触的比接触电阻,仍然是当前研究的重要课愿之一。
5.刻蚀技术.一般氮化物LED的刻蚀是采用反应离子刻蚀技术,得到较好的结果。
因为LED对刻蚀的要求并不高,主要用来暴露出N一型区,以便于制备N-电极.但是,对于LD,需要对刻蚀侧壁的光滑度和平行度有极高要求的刻蚀.RIE常常显得有些力不从心。
现在常常用ICP,即感应偶合等离子体刻蚀技术,可以获得更好的刻蚀结果。
以上仅仅是目前研究开发中的几个主要问置.实际上,问题还是很多的.有许多物理问题.也仍然不是十分清楚.如异质结的压电效应,自发诱导电场,晶体的极性和自扩散问题.等等,都需要深入研究.开发和利用.
1S.Yoshida,S.Misa",andS.G。
nda,J.AppLPhys.,53,6844(1982)
2M.R.H.Khan.Y.Koide,H.Itoh.N.S明aki,andI.Akasal【i.SolidStateC伽哪un.60.509(1986)
’T.Matsuoka.57thAut帅nMeetingofnleJapanSocietyofAppliedPhysics,Sept.,Fukuoka.Ja9an.256(1996)
・1,・
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