[科普中国]-宽禁带半导体材料

固体中电子的能量具有不连续的量值，电子都分布在一些相互之间不连续的能带上。价电子所在能带与自由电子所在能带之间的间隙称为禁带或带隙。所以禁带的宽度实际上反映了被束缚的价电子要成为自由电子所必须额外获得的能量。硅的禁带宽度为1.12电子伏特(eV)，而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0eV及以上的半导体材料，典型的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等材料。宽禁带半导体材料是被称为第三代半导体材料。

半导体材料随着微波器件及光电子器件的发展，Ⅲ-Ⅴ族展，但电子学的发展对器件提出了愈来愈高的要求，特别是需要大功率、高频、高速、高温以及在恶劣环境中工作的器件。例如，高性能军用飞机及超音速琶机发动机的监控系统要求在300℃下长期工作，而一般的器件只能在100℃下正常运行：在星际航行方面，水星在接近太阳时表面温度为370℃，而金星的表面温度更高，达450℃，压力为107Pa，可是硅电池的最高工作温度仅200℃，GaAs电池虽可在200℃以上工作，但效率大大下降；通信领域也要求更高的频率和更大的功率，所有这些都是现有的Si器件或GaAs器件所无法满足的。在字宙飞船上，为使器件的温度降至Si器件所能容忍的125℃，就必须配备冷却系统，如果器件能在325℃下工作，除掉这一冷却系统就可使无人飞船的体积减小60%。时代的需求呼唤着高温半导体材料的出现。对于研究半导体材料的人来说，正面临着一个令人振奋的时代，因为近年来在高温半导体方面的研究进展很快。1

硅材料的限制硅材料一直是电力电子器件所采用的主要半导体材料。其主要原因是人们早已掌握了低成本、大批量制造、大尺寸、低缺陷、高纯度的单晶硅材料的技术以及随后对其进行半导体加工的各种工艺技术，人类对硅器件不断的研究和开发投入也是巨大的。但是，硅器件的各方面性能已随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性决定的理论极限(虽然随着器件技术的不断创新这个极限一再被突破)，很多人认为依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。因此，将越来越多的注意力投向基于宽禁带半导体材料的电力电子器件。

宽禁带半导体材料的发展由于具有比硅宽得多的禁带宽度，宽禁带半导体材料一般都具有比硅高得多的临界雪崩击穿电场强度和载流子饱和漂移速度、较高的热导率和相差不大的载流子迁移率，因此，基于宽禁带半导体材料(如碳化硅)的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级地提高。但是，宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼、制造以及随后半导体制造工艺的困难。

直到20世纪90年代，碳化硅材料的提炼和制造技术以及随后的半导体制造工艺才有所突破，到21世纪初推出了基于碳化硅的肖特基二极管，性能全面优于硅肖特基二极管，因而迅速在有关的电力电子装置中应用，其总体效益远远超过这些器件与硅器件之间的价格差异造成的成本增加。氮化镓的半导体制造工艺自20世纪90年代以来也有所突破，因而也己可以在其他材料衬底的基础上实旋加工工艺制造相应的器件。由于氮化镓器件具有比碳化硅器件更好的高频特性而较受关注。金刚石在这些宽禁带半导体材料中性能是最好的，很多人称之为最理想的或最具前景的电力半导体材料。但是金刚石材料提炼和制造以及随后的半导体制造工艺也是最困难的，还没有有效的办法。距离基于金刚石材料的电力电子器件产品的出现还有很长的路要走。1

应用由氮化钢(InN)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AIN)及其合金组成的Ill族氮化物(又称GaN基)半导体是最重要的一类宽禁带半导体。其主要应用领域包括：

(1)照明领域：当前在国内外非常受人瞩目的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源，它将取代使用的大部分传统光源，被称为21世纪照明光源的革命，而氮化镓基高效率、高亮度发光二极管(LED)的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。

(2)光存储领域：DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长的平方呈反比，而氮化镓基短波长半导体激光器可以把当前使用的砷化镓(GaAs)基半导体激光器的DVD光存储密度提高4~5倍，将会成为新型光存储和处理的主流技术。

(3)电子器件领域：高温、高频、高功率微波器件是无线通信、国防等领域急需的电子器件，如果使用的微波功率管的输出功率密度提高一个数量级，微波器件的工作温度提高到300℃，将解决航天航空用电子装备和民用移动通信系统的一系列难题。碳化硅材料是宽禁带半导体材料的另一个代表。碳化硅的工作温度可达600℃，优异的特性使其在研制高温、高频、大功率、抗辐射器件以及紫外探测器、短波发光二极管等方面具有广阔的应用前景。2

本词条内容贡献者为:

周敏 - 副教授 - 西南大学