寬禁帶半導(dǎo)體是什么？

介紹

寬禁帶半導(dǎo)體泛指室溫下帶隙寬度Eg大于等于2.3eV的半導(dǎo)體材料，是繼GaAs、InP之后的第三代半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料的禁帶寬度越大，對應(yīng)電子躍遷導(dǎo)帶能量越大，從而材料能夠承受更高的溫度和電壓。

由于其具有禁帶寬度大、抗輻射能力強、擊穿電場強度好以及耐高溫等特點，可以克服之前半導(dǎo)體的劣勢，因此被廣泛應(yīng)用于微電子和光電子領(lǐng)域。利用寬禁帶半導(dǎo)體制作而成的器件常見的有短波光電子器件、紫外光電探測器件、高溫電子器件、光功率微波器件以及高場高功率電力電子器件等。

近年來，以GaN、SiC、ZnO為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料是固態(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的研究重點，在半導(dǎo)體照明、新一代移動通信、智能電網(wǎng)、高速軌道交通、新能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可望成為支撐信息、能源、交通、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點新材料，進行寬禁帶半導(dǎo)體材料的相關(guān)技術(shù)研發(fā)正在成為全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略高地。

GaN

GaN是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度3.44eV（300K條件下）。它具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=b=0.3190nm, c=0.5189nm。

GaN

氮化鎵

由于具有較寬的帶隙，并且GaN系列半導(dǎo)體材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、硬度大以及電離度高等諸多優(yōu)勢在諸多寬禁帶半導(dǎo)體中迅速脫穎而出。

1993年，日本日亞公司和名古屋大學(xué)的科研團隊實現(xiàn)了高質(zhì)量的GaN薄膜的生長以及p型摻雜，成功構(gòu)建了GaN藍光二極管LED，并于2014年獲得諾貝爾物理學(xué)獎 ^[1]^ ，開啟了照明領(lǐng)域新世紀(jì)的大門。隨著GaN在寬禁帶半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域大力發(fā)展，2002年，Johnson等報道了基于GaN的納米線激光器 ^[2,3]^ ；

2013年，研究人員通過控制解理后兩根GaN納米線之間的間隔來控制兩者之間的耦合，實現(xiàn)了低閾值單模激射納米線激光器 ^[4]^ ，如今GaN基材料廣泛應(yīng)用于發(fā)光器件、場效應(yīng)晶體管、紫外光探測器、微波波導(dǎo)、光存儲器件等領(lǐng)域。

在眾多半導(dǎo)體材料中，GaN是優(yōu)良的光電子材料，可以實現(xiàn)從紅外區(qū)域到紫外區(qū)域可見光全范圍的光發(fā)射和三原色具備的全光固體顯示。GaN具有較寬的帶隙，是理想的藍光LED材料。

但由于其生長的環(huán)境條件過高以及生長難度大，并且GaN激光器的研發(fā)仍然有很多問題，其較低的激子束縛能、較大的受激輻射閾值極大地限制了GaN在短波長激光器領(lǐng)域的進一步發(fā)展。此外阻礙GaN研究的困難還有缺乏晶格和熱脹系數(shù)相匹配的襯底材料，一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，GaN將邁入產(chǎn)業(yè)化進程。

SiC

SiC是Ⅳ族半導(dǎo)體一種寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度3.2eV。通過對具有相對最小帶隙的3C-SiC直至具有最大帶隙的2H-SiC的能帶結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)其所有的價帶-導(dǎo)帶躍遷都有聲子參與，即這類半導(dǎo)體都是間接帶隙半導(dǎo)體。

由于具備的較高禁帶寬度，臨界擊穿電壓較大，因此作為功率器件時可以減少器件的數(shù)量。由于高擊穿電場和高熱導(dǎo)率，一般更多應(yīng)用于高壓大功率器件。

在發(fā)光器件研究領(lǐng)域，2014年Yin利用MoS 2 -MoO3混合納米材料與SiC制備了SiC/MoS 2 -MoO3薄膜，以n型SiC/p型MoS 2 -MoO3異質(zhì)結(jié)制成了LED器件 ^[5]^ 。在光子調(diào)控領(lǐng)域，證實了以SiC為基板的石墨烯半整數(shù)量子霍爾效應(yīng) ，目前應(yīng)用于低維半導(dǎo)體磁光調(diào)制器的開發(fā)以及諸多功率器件的元件應(yīng)用。由于其昂貴的價格以及技術(shù)上的多重挑戰(zhàn)，SiC極大限制了在其他領(lǐng)域的發(fā)展。

SiC是基于第一代半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上改良的結(jié)果。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體Si相比較而言，SiC的帶隙是傳統(tǒng)Si的三倍左右，單位面積阻隔電壓的能力大概是Si的8倍，但是加工工藝沒有Si成熟，沒有辦法量產(chǎn)的代價就是SiC材料市面價格的昂貴。

此外SiC的熱導(dǎo)率為4.9W/cm·K，大概是Si的3.3倍，這就導(dǎo)致了熱量能更好地傳導(dǎo)出來，可是目前仍然沿用Si的封裝工藝，熱設(shè)計和封裝技術(shù)不成熟導(dǎo)致其壽命有限。從電路角度來看，高運行速度伴隨更高要求的電路控制，SiC的缺陷密度遠大于Si，導(dǎo)致采用SiC做電路元件的電流能力局限于5-10A，因此對于設(shè)計穩(wěn)定電子器件而言SiC材料需要多方面的技術(shù)完善。

ZnO

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體一種直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度3.4eV。與GaN類似，具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=b=0.3253nm, c=0.5213nm。

Zn ^2+^ 和O ^2-^ 形成的具有非中心對稱結(jié)構(gòu)，可以將外力作用下產(chǎn)生的壓電勢與其半導(dǎo)體輸運性能耦合，可以實現(xiàn)壓電電子學(xué)效應(yīng)和調(diào)控異質(zhì)結(jié)光電響應(yīng)的壓電光電子學(xué)效應(yīng)，ZnO及ZnMgO合金的帶隙能夠覆蓋“日盲”波段（220～280nm），并且具有比Ⅲ族氮化物更好的抗輻射損傷能力，因此在國防上具有非常重要的應(yīng)用價值；

2009年，wang課題組通過在p型GaN圓片上直接生長n型ZnO納米線陣列制造了發(fā)紫外-藍光的陣列ZnO/GaN異質(zhì)結(jié)LED證明了壓電勢和在界面附近局部壓電電荷能引起能帶修改，導(dǎo)致局部偏電壓有效增加 。

2013年該課題組制備了一種高效的ZnO納米線/p-聚合物混合無機/有機紫外LED，成功建立了應(yīng)變與界面載流子輸運行為調(diào)控的有效聯(lián)系 ，從器件構(gòu)筑、性能調(diào)控等方面打開了全新的研究領(lǐng)域。

在發(fā)光器件研究領(lǐng)域，1997年D. M. Bagnall等人首次報道了在室溫下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激發(fā)射 ，2000年Hatanaka等首次報道了基于一維ZnO納米同質(zhì)結(jié)在低溫條件電注入下的紫外和可見光波段的電致發(fā)光 ，2001年，美國加州大學(xué)Berkeley分校楊培東教授的課題組在《Science》上首次報道了ZnO納米線中的紫外受激輻射結(jié)果 ，低維氧化鋅端面與側(cè)面以及隨機散射形成的光學(xué)反饋具有天然的諧振腔結(jié)構(gòu)特點，可以獲得多模激射。

ZnO微納米結(jié)構(gòu)中的根據(jù)諧振腔形式分類產(chǎn)生的三種受激輻射模式也被陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn) ^[13-15]^ ,多方面優(yōu)勢使得有望取代GaN材料廣泛應(yīng)用于新一代發(fā)光器件。

在透明導(dǎo)電薄膜研制方面，氧化鋅可見-近紅外波段透過率超過90% ，具有易刻蝕、抗輻射能力強、與光電器件工藝兼容性強等特點，使其成為代替ITO的重要候選材料。

在非線性光學(xué)領(lǐng)域，新加披國立大學(xué)的Sow課題組將ZnO量子點修飾在多量子阱的碳納米管上，實現(xiàn)了超快的非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換 ,量子點中二次諧波的信號可以作為一種微探測的手段進行生物醫(yī)學(xué)活體成像。

Andrea V. Bragas團隊通過設(shè)計表面等離激元金納米天線點陣ZnO納米線二次諧波1700倍的增強 ^[18]^ 。如今ZnO基材料廣泛應(yīng)用于調(diào)制非線性光學(xué)信號的集成電路，光發(fā)射、傳播、放大用于生物醫(yī)學(xué)成像以及金屬納米顆粒周圍局域化表面等離激元所引起的近場增強對于激光器閾值的改善。

對ZnO的研究相對于GaN和SiC而言發(fā)展有點遲緩，由于ZnO與GaN的晶格失配度較小，單晶ZnO通過加工可以作為GaN襯底材料，因此很長一段時間ZnO材料的研究方向都是如何制備更大更完美的單晶，在這方面美國和日本的制備技術(shù)相對成熟 ，由于p型摻雜結(jié)果不理想一度使得對ZnO的研究逐漸消退。

直到1997年香港和日本科學(xué)家在第23屆半導(dǎo)體激光器國際會議上首次報道了室溫光泵浦條件下ZnO微晶薄膜結(jié)構(gòu)中的紫外受激輻射 ，同年5月《Science》以“Will UV Laser Beat the Blues?”為題預(yù)言了ZnO在紫外激光器領(lǐng)域的應(yīng)用前景，認為這一材料將推動信息技術(shù)的巨大發(fā)展 。

對于半導(dǎo)體器件而言，本征ZnO是一種n型半導(dǎo)體，必須通過受主摻雜才可實現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變，由于ZnO存在較多本征施主缺陷，受主摻雜存在雜質(zhì)補償作用，因此p-ZnO的制備一直是研究的重點。

2005年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所采用常壓超聲噴霧熱解法，通過氮和銦共摻雜成功制備p-ZnO薄膜，其電學(xué)性能遠超同期國際最好水平 ，同年A. Tsukazaki等人在反復(fù)調(diào)控的溫度下制備了高質(zhì)量的p-ZnO薄膜，實現(xiàn)了紫藍色電致發(fā)光的p-i-n結(jié)構(gòu)LED 。

制備高品質(zhì)穩(wěn)定的p-ZnO能夠促進對電泵浦受激輻射的研究，一旦ZnO受激輻射從光致激發(fā)轉(zhuǎn)化成電致激發(fā)，就能夠極大地推動低維激光器以及微納發(fā)光二極管等光電子器件的研究進程。

再者，ZnO材料由于本身存在表面缺陷，在可見光區(qū)發(fā)射出與表面缺陷相光的大量光生電子，導(dǎo)致源于激子復(fù)合的近帶邊（NBE）的發(fā)射被削弱，因此，ZnO基器件普遍存在發(fā)光強度和發(fā)光效率較低的問題，從而阻礙了相關(guān)光電性能的應(yīng)用。

此外隨機激光的模式結(jié)構(gòu)及輸出光波長無法精確控制，光路在ZnO中的無法具體確定，因此ZnO中的隨機激光并不是實現(xiàn)紫外激光器的最理想途徑，這也是一個問題。

參考文獻

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