寬禁帶半導(dǎo)體材料與工藝

1、寬禁帶半導(dǎo)體材料與工藝 寬禁帶半導(dǎo)體材料與工藝1.1 寬禁帶半導(dǎo)體的概念和發(fā)展 寬禁帶半導(dǎo)體的概念和發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體（WBS）是自第一代元素半導(dǎo)體材料（Si）和第二代化合物半導(dǎo)體材料（GaAs、GaP、InP 等）之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。這類材料主要包括 SiC（碳化硅） 、C-BN（立方氮化硼） 、GaN（氮化鎵、 ）AlN（氮化鋁） 、ZnSe（硒化鋅）以及金剛石等。第二代半導(dǎo)體 GaAs 與 Si 相比除了禁帶寬度增大外，

2、其電子遷移率與電子飽和速度分別是 Si 的 6 倍和 2 倍，因此其器件更適合高頻工作。GaAs 場效應(yīng)管器件還具有噪聲低、效率高和線性度好的特點但相比第三代半導(dǎo)體 GaN 和SiC，它的熱導(dǎo)率和擊穿電場都不高，因此它的功率特性方面的表現(xiàn)不足。為了滿足無線通信、雷達等應(yīng)用對高頻率、寬禁帶、高效率、大功率器件的需要從二十世紀九十年代初開始，化合物半導(dǎo)體電子器件的研究重心開始轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體。我們一般把禁帶寬度大于 2eV 的半導(dǎo)體稱為寬禁

3、帶半導(dǎo)體。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。1.2 主要的寬禁帶半導(dǎo)體材料 主要的寬禁帶半導(dǎo)體材料近年來，發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體材料主要是 SiC 和 GaN，其中 SiC 的發(fā)展更早一些，碳化硅、氮化鎵、硅以及砷化鎵的一些參數(shù)如下圖所示：硅（含 SiC 約 85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學成分，提高鋼

4、的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。 碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為 9.5 級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級） ，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。2.2 GaN 材料 材料GaN 是一種極穩(wěn)定，堅硬的高熔點材料，熔點約為 1700℃。GaN 具有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5 或 0.43） 。在大氣壓下，GaN 晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。它在一個晶胞中有 4 個原子。因為其硬度高，又

5、可以作為良好的涂層保護材料。在室溫下，GaN 不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中溶解速度又非常緩慢。但是 NaOH、H2SO4 和 H3PO4 能較快地腐蝕質(zhì)量差的 GaN，這種方法可以用來檢測質(zhì)量不高的 GaN 晶體。GaN 在 HCL 或 H2 氣氛高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在 N2 氣下最為穩(wěn)定。GaN 基材料是直接躍遷型半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的光學性能,可作出高效率的發(fā)光器件,GaN 基 LED 的發(fā)光波長范圍可從紫外到綠色光Ⅲ族氮

6、化物主要包括 GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN 和ALGaInN 等，其禁帶寬度覆蓋了紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜范圍。GaN 是Ⅲ族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。GaN 的電學性質(zhì)是決定器件性能的主要因素。目前 GaN 的電子室溫遷移率可以達到900cm²/（V * s） 。GaN 材料所具有的禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和速度高是制作高溫、大功率器件的最佳材料。氮化物半導(dǎo)