宽禁带半导体材料技术

电子工业专用设备

Equipment for Electronic Products Manufacturing

EPE

（总第187期）Aug ．2010宽禁带半导体材料技术

李宝珠

(中国电子科技集团公司第四十六研究所，天津300220)

摘

要：宽禁带半导体材料是一种新型材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高等特点，非

常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件；利用其特有的禁带宽度，还可以制作蓝光、绿光、紫外光器件和光探测器件，能够适应更为苛刻的生存和工作环境。在宽禁带半导体材料中，具有代表性的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN ）、金刚石以及氧化锌(ZnO)，综合叙述了这些材料的特性、发展现状和趋势；并介绍了SiC 、GaN 、ZnO 材料的应用情况和代表性器件的研究进展。

关键词：宽禁带；半导体；材料；研究进展中图分类号：TN304.05

文献标识码：A

文章编号：1004-4507(2010)08-0005-06

Investigation on Wide Bandgap Semiconductor Material

LI Baozhu

(The 46th Research Institute,CETC,TianJin 300220,China)

Abstract:Wide bandgap semiconductor material is a kind of new materials,which are suitable for the production of anti-radiation,high-frequency,high power and high-density integration of electronic de-vices,due to wide-band gap,high breakdown electric field and high thermal conductivity.The blue ,green and UV light emitter or optical detector made of WBG can adapt to a more hostile environment.SiC,GaN,AlN,diamond and ZnO are representative of WBG.In this paper,the characteristics and ap-plication of these materials were described,the development status was represented and the develop-ment trend was predicted.

Keywords:Wide bandgap;Semiconductor;Material;Research progress

收稿日期：2010-07-15

半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓

(GaN)、氮化铝（AlN ）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。

以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展

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和整个IT 产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。

20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。

当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、

大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、

抗辐照1×106rad ；小栅宽GaN HEMT 器件分别在4GHz 下，功率密度达到40W/mm ；

在8GHz ，功率密度达到30W/mm ；在18GHz ，功率密度达到9.1W/mm ；在40GHz ，功率密度达到10.5W/mm ；在80.5GHz ，功率密度达到2.1W/mm ，

等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。

从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC 技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN 技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、

金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。

1宽禁带半导体材料

1.1碳化硅单晶材料

在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC 材料是IV-IV 族半导体化合物，具有宽禁带(Eg ：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC 材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H 和6H 晶型。4H-SiC 特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC 特别适用于光电子领域，实现全彩显示。

第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]：

(1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。

(2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。

(3)必须突破GaAs 功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。

(4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。

随着SiC 技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC 材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。

SiC 器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、

欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国的Cree 公司、Bandgap 公司、Dow Dcorning 公司、II-VI 公司、Instrinsic 公司；日本的Nippon 公司、Sixon 公司；芬兰的Okmetic 公司；德国的SiCrystal 公司，等。其中Cree 公司和SiCrystal 公司的市场占有率超过85%。在所有的碳化硅制备厂商中以美国Cree 公司最强，其碳化硅单晶材料的技术水平可代表了国际水平，专家预测在未来的几年里Cree 公司还将在碳化硅衬底市场上独占鳌头。

美国Cree 公司1993年开始有6H 碳化硅抛光片商品出售，过去的十几年里不断有新品种加入，晶型由6H 扩展到4H ；电阻率由低阻到半绝缘；尺寸由25.4～76.2mm(1～3英寸)，最近101.6mm(4英寸)抛光片已投入市场。

2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)启

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