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宽禁带半导体材料技术

时间:2016-05-26 16:10:16作者:来源:


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 具有电子迀移率高、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 °C以上、抗辐照1 x 106 rad;小栅 宽GaNHEMT器件分别在4GHz下,功率密度达 到40 W/mm;在8 GHz,功率密度达到30 W/mm; 在18 GHz,功率密度达到9.1 W/mm;在40 GHz, 功率密度达到10.5 W/mm;在80.5 GHz,功率密度 达到2.1 W/mm,等。因此,宽禁带半导体技术己成 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宄情况 来看,研宄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,研宄进展也较 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 带半导体技术研宄报道较少,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:3.2 eV)、高击穿电场(4 x 106 V/cm)、高热导率 (4.9 W/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,业己发现约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 中己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 °C〜600 °C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、DowDcorning 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25.4〜76.2 mm(1〜3英寸),最近101.6 mm(4 英寸)抛光片己投入市场。

 

2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)启 动与实施的宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)[11], 己成为加速改进SiC、GaN以及AIN等宽禁带半导 体材料特性的重要“催化剂”。该计划基本能够指引 以SiC材料为代表的宽禁带半导体材料向大尺寸、 低缺陷密度、半绝缘方向发展。

 

1.2氮化镓材料

 

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一种III - V族化合物半导体材料,在大气压力下,GaN 晶体一般呈六方纤锌矿结构,它在一个元胞中有4 个原子,原子体积大约为GaAs的1/2;其化学性质 稳定,常温下不溶于水、酸和碱,而在热的碱溶液中 以非常缓慢的速度溶解;在HCl或H2下高温中呈 现不稳定特性,而在N2下最为稳定。GaN材料具有 良好的电学特性[12],宽带隙(3.39 eV)、高击穿电压 (3 x 106 V/cm)、高电子迁移率(室温 1 000 cm2/V.s)、 高异质结面电荷密度(1 x 1013 cm-2)等,因而被认为 是研宄短波长光电子器件以及高温高频大功率器 件的最优选材料,相对于硅、砷化镓、锗甚至碳化硅 器件,GaN器件可以在更高频率、更高功率、更高温 度的情况下工作。另外,氮化镓器件可以在1〜110 GHz范围的高频波段应用,这覆盖了移动通信、无 线网络、点到点和点到多点微波通信、雷达应用等 波段。近年来,以GaN为代表的III族氮化物因在光 电子领域和微波器件方面的应用前景而受到广泛 的关注。

 

作为一种具有独特光电属性的半导体材料, GaN的应用可以分为两个部分:凭借GaN半导体 材料在高温高频、大功率工作条件下的出色性能可 取代部分硅和其它化合物半导体材料['凭借GaN 半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的 光电应用产品。目前GaN光电器件和电子器件在 光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等 应用领域具有明显的竞争优势,其中高亮度LED、 蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最 为感兴趣和关注的。

 

国外在氮化镓体单晶材料研宄方面起步较早, 现在美国、日本和欧洲在氮化镓体单晶材料研宄方 面都取得了一定的成果,都出现了可以生产氮化镓 体单晶材料的公司,其中以美国、日本的研宄水平 最高。

 

美国有很多大学、研宄机构和公司都开展了氮 化镓体单晶制备技术的研宄,一直处于领先地位, 先后有TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生 产出氮化镓单晶衬底。Kyma公司现在己经可以出 售1英寸、2英寸、3英寸氮化镓单晶衬底,且己研 制出4英寸氮化镓单晶衬底。

 

曰本在氮化镓衬底方面研宄水平也很高,其中 住友电工(SEI)和日立电线(Hitachi Cable)己经开始 批量生产氮化镓衬底,日亚(Nichia)、Matsushita、索 尼(Sony)、东芝(Toshiba)等也开展了相关研宄。日立 电线的氮化镓衬底,直径达2英寸,衬底上位错密 度都达到1 x 106 cm-2水平。

 

欧洲氮化镓体单晶的研宄主要有波兰的Top- GaN和法国的Lumilog两家公司。TopGaN生产 GaN材料采用HVPE工艺,位错密度1 x 107 cm-2, 厚度0.1〜2 mm,面积大于400 mm2。

 

综上,国外的氮化镓体单晶衬底研究己经取得 了很大进展,部分公司己经实现了氮化镓体单晶衬 底的商品化,技术趋于成熟,下一步的发展方向是大 尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撑衬底材料[14]。

 

1.3氮化铝材料

 

AlN材料是III族氮化物,具有0.7〜3.4 eV的直接带隙,可以广泛应用于光电子领域。与砷化镓 等材料相比,覆盖的光谱带宽更大,尤其适合从深 紫外到蓝光方面的应用,同时III族氮化物具有化学 稳定性好、热传导性能优良、击穿电压高、介电常数 低等优点,使得I族氮化物器件相对于硅、砷化镓、 锗甚至碳化硅器件,可以在更高频率、更高功率、更 高温度和恶劣环境下工作,是最具发展前景的一类 半导体材料。

 

AlN材料具有宽禁带(6.2 eV),高热导率 (3.3 W/cm*K),且与AlGaN层晶格匹配、热膨胀系数匹配都更好™,所以AlN是制作先进高功率发光 器件(LED,LD)、紫外探测器以及高功率高频电子 器件的理想衬底材料。

 

近年来,GaN基蓝、绿光LED、LD、紫外探测器 以及大功率高频HEMT器件都有了很大发展[15,16]。 在AlGaN HEMT器件方面,AlN与GaN材料相比有着更高的热导率,而且更容易实现半绝缘;与 SiC相比,则晶格失配更小,可以大大降低器件结 构中的缺陷密度,有效提高器件性能。AlN是生长 III族氮化物外延层及器件结构的理想衬底,其优点 包括:与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失 配;化学性质相容;晶体结构相同,不出现层错层; 同样有极化表面;由于有很高的稳定性并且没有其 它元素存在,很少会有因衬底造成的沾污。AlN材 料能够改善器件性能,提高器件档次,是电子器件 发展的源动力和基石。

 

目前国外在AlN单晶材料发展方面,以美国、 曰本的发展水平为最高。美国的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制备AlN基片技术,并实现产业 化的唯一单位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC 或蓝宝石衬底上淀积10〜30 |xm的电绝缘AlN 层。主要用作低缺陷电绝缘衬底,用于制作高功率 的AlGaN基HEMT。目前己经有2、3、4、6英寸产 品。日本的AlN技术研宄单位主要有东京农工大 学、三重大学、NGK公司、名城大学等,己经取得了 一定成果,但还没有成熟的产品出现。另外俄罗斯 的约菲所、瑞典的林雪平大学在HVPE法生长AlN 方面也有一定的研宄水平,俄罗斯Nitride Crystal公 司也己经研制出直径达到15 mm的PVT AlN单晶 样品。在国内,AlN方面的研宄较国外明显滞后,一 些科研单位在AlN MOCVD外延生长方面,也有了 初步的探索,但都没有明显的突破及成果。

 

1.4其它宽禁带半导体材料

 

1.4.1金刚石

 

金刚石是碳结晶为立方晶体结构的一种材料。 在这种结构中,每个碳原子以“强有力”的刚性化学 键与相邻的4个碳原子相连并组成一个四面体。金 刚石晶体中,碳原子半径小,因而其单位体积键能很 大,使它比其他材料硬度都高,是己知材料中硬度最 高(维氏硬度可达10400 kg/mm2)。另外,金刚石材料 还具有禁带宽度大(5.5 eV);热导率高,最高达120 W/cm.K(-190 °C),一般可达 20 W/cm.K(20 °C);传 声速度最高,介电常数小,介电强度高等特点[17]。金 刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性 能于一身,是目前最有发展前途的半导体材料。

 

依据金刚石优良的特性,应用十分广泛,除传 统的用于工具材料外,还可用于微电子、光电子、声 学、传感等电子器件领域。其在电子领域的典型应 用:

 

(1)在微电子方面的应用。金刚石的禁带宽度 大,以及优异的电学特性,使其更适合于极恶劣的 环境中应用[19]。据报道:金刚石肖特基二极管工作 温度可达到1000 °c;在人工低温低压合成的多晶 金刚石制作的MISFET,它的fT可以达到2.7 GHz, 最高振荡频率(f max )为3.8 GHz;高压合成金刚石 制作的MESFET的fT可以达到2.2 GHz,f max为 7 GHz;日本电报电话公司(NTT)己经开发出一种 工作频率为81 GHz、运行速度高于其他半导体器 件2倍的金刚石半导体器件,NTT正致力于研发工 作频率达到200 GHz,输出功率为30 W/mm的金 刚石器件。 可以预见,只要突破高质量、大面积、单晶膜的 金刚石制备技术,金刚石半导体器件和集成电路因 其优越的性能将在Si、SiC和GaN半导体器件和 集成电路难以适用的环境中得到广泛应用。

 

(2)在光电子方面的应用。金刚石在X射线一 紫外光一可见光一红外光很宽的波长范围内都具 有高透过性且能抗高温、抗腐蚀、机械强度大,因此 可用作在恶劣环境中使用的光学窗口等,如多色红 外探测器窗口、红外焦平面阵列热成像装置窗口、 高功率微波窗口、高功率激光窗口等;透X光特性 使其可成为未来微电子器件制备的亚微米级光刻 蚀技术的理想材料。

 

(3)其他方面的应用。金刚石具有极高的弹性 模量,这决定了声波在金刚石中具有极高的传播速 度,可做成SAW(声表面波)器件[20],如表面声波滤 波器,声频在其中传播速度达到17 500 m/s;金刚 石热导率高,是半导体电子器件极为理想的大面积 散热材料(又称为热沉);金刚石薄膜可用作电化学 传感器的电极,能工作在具有腐蚀性的环境中。

 

1.4.2氧化锌

 

氧化锌(ZnO)是II -VI族纤锌矿结构的半导体 材料,禁带宽度为3.37 eV[21];另外,其激子束缚能 (60 meV)比 GaN(24 meV)、ZnS(39 meV)等材料高很多,如此高的激子束缚能使它在室温下稳定,不易被激发(室温下热离化能为26 meV),降低了室温 下的激射阈值,提高了 ZnO材料的激发效率。基于 这些特点,ZnO材料既是一种宽禁带半导体,又是 一种具有优异光电性能和压电性能的多功能晶体。 它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光 电器件,还可用于制造气敏器件、表面声波器件、透 明大功率电子器件、发光显示和太阳能电池的窗口 材料以及变阻器、压电转换器等[22]。相对于GaN, ZnO制造LED、LD更具优势,具预计,ZnO基LED 和LD的亮度将是GaN基LED和LD的10倍,而 价格和能耗则只有后者的1/10。

 

ZnO材料以其优越的特性被广泛应用,受到各 国极大关注。日、美、韩等发达国家己投入巨资支持 ZnO材料的研宄与发展,掀起世界ZnO研宄热潮。 据报道,日本己生长出直径达2英寸的高质量ZnO 单晶;我国有采用CVT法己生长出了直径32 mm 和直径45 mm、4 mm厚的ZnO单晶。材料技术的 进步同时引导和推进器件技术的进步,日本研制出 基于ZnO同质PN结的电致发光LED;我国也成 功制备出国际首个同质ZnO — LED原型器件,实 现了室温下电注入发光。器件制备技术的进步,推 动ZnO半导体材料实用化进程,由于其独特的优 势,在国防建设和国民经济上将有很重要的应用, 前景无限[23]。

 

2宽禁带半导体材料的主要应用

 

在宽禁带技术中,材料技术的研发是基础,加 强应用提高系统性能才是目的。目前世界各国都在 加强宽禁带技术的研发力度。最有代表性的是美 国,2002年美国国防先进研宄计划局(DARPA)实 施了宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)[11],第一阶 段2〜4英寸材料SiC衬底材料商品化,己实施成 功;第二阶段为射频应用宽禁带半导体计划,目的 是利用宽禁带半导体材料制作并演示射频功率放 大器,提高其功率附加效率、带宽及功率密度最终 实现GaN基高可靠、高性能微波与毫米波器件的 大批量生产;第三阶段,研制成功GaN基高可靠、 高性能MMIC,并在若干模块中试验其应用。在此 计划的实施下,推动宽禁带技术的发展。

 

2.1碳化硅器件与电路

 

2.1.1碳化硅MESFET器件

 

近年来,许多研宄机构均在4H-SiCMESFET器件工艺改进和性能提高方面开展了大量工作,碳 化硅MESFET器件性能参数取得了很大进展:击 穿电压普遍在100V以上[24],最大电流密度为 175〜520 mA/mm,跨导为20〜70 ms/mm,功率密 度为0.85〜4.4 W/mm,最大振荡频率高达40 GHz。 碳化硅MESFET以其优异的性能将在新一代相控 阵雷达、大功率通信基站等方面得到广泛应用[25]。

 

2.1.2 MOSFET 器件

 

MOSFET器件具有高速低功耗的特性,非常适用 于大功率领域。随着外延工艺的进展及器件结构的改 进,SiCMOSFET的特性有了很大提高。Baliga证明, 按照以往Si器件的定义标准,6H-SiC功率MOSFET 的性能比Si器件高13倍。Cree公司研制的10kV功 率MOSFET,漏电流密度只有16 mA/cm2,是目前国 际上耐压较高的SiC器件[26]。

 

2.1.3碳化硅SIT

 

SIT是用PN结或肖特基作为栅极的一种单极 器件。近年来,SiC SIT除了表现出良好的功率特性 外,也实现了较好的频率特性。J.P.Henning等人报 道了采用多对准工艺制备的微波SiC SIT,并采用了 空气桥结构的栅极来降低寄生电容。该器件的fT高 达7 GHz,漏极击穿电压达到130 V,漏压为10 V时 的膝电流为150mA/mm,跨导为17ms/mm[27]。

 

2.2氮化镓器件与电路

 

2.2.1 GaN 基 HEMT 器件

 

1993年第一只GaN HEMT问世[28],成为GaN 功率器件中最为引人注目的器件,其具有优异的 微波功率特性,单位毫米栅宽输出功率理论上可 达到几十瓦。近年来,该器件得到飞速发展P9],高 功率GaN HEMT放大器频率为2.8 GHz时输出 功率100 W,58°%的高效率;输出功率为40 dBm 和50 dBm的输出波形顶部分别为0.4 dB和0.2 dB。 GaN基HEMT器件在千瓦级功率转换中具有高速 大功率开关特性,最大开关电流为23 A。

 

2.2.2 GaN基局亮度LED

 

GaN材料的禁带宽度Eg为3.39 eV,InN的禁带宽度Eg为1.95 eV。因此,只要调节固溶体Inx- Ga1-xN的混晶比x值的大小,就可以得到禁带宽 度从1.95 eV到3.39 eV变化的连续混合晶体发光 材料。1.95〜3.39 eV (636.6〜365 nm)这个范围覆盖了整个可见光光谱。利用GaN材料的特性,能够 制备GaN基蓝光LED、白光LED等[29],可实现红、 绿、蓝三色基色基完备的发光体系,拓宽了发光光谱,实 现全彩显示。

 

2.2.3 GaN基光电探测器

 

AlGaN基光电探测器在军事和民品的通信和 成像领域具有很高的价值,1992年,Khan等人第一 次研制报道了 GaN基的紫外探测器,从而开始了 AlGaN基紫外光电探测器的研宄。据报道,目前己 研制出多种结构的AlGaN光电探测器,如光电导 探测器,MSM探测器,肖特基探测器,PN结光电探 测器,PIN结构光电探测器等。美国己研制出垂直 结构的AlGaN/GaN多量子阱肖特基探测器,采用 背入方式在325〜350 nm波长范围得到平直的峰值 光谱响应为0.054 A/W;随着P型掺杂及金属接触 等关键技术的研宄,AlGaN PIN光电探测器性能有 了很大提高,其工作范围逐渐从可见光盲区过渡到 “太阳盲区”。

 

2.3氧化锌器件

 

2.3.1压电器件

 

ZnO具有优良的压电性能[30,31],适合于制备体声 波(BAW)尤其是表面波(SAW)器件。陈运祥等人在 激励剪切模式C轴方向倾斜取向ZnO薄膜的基础 上采用垂直、倾斜交替的多层ZnO薄膜,制作出了 中心频率为8 GHz的BAW延迟线;日本在蓝宝石 衬底上外延ZnO薄膜制作出了低损耗的1.5 GHz的 高频SAW滤波器。随着数字传输和移动通信信息 传输量的増大,ZnO的高频特性逐渐显示其优势, 因此,ZnO薄膜在高频滤波器、谐振器、光波导等领 域有着广阔的发展前景。

 

2.3.2压敏器件

 

ZnO因其非线性系数高、电涌吸收能力强,在 电子电路等系统中被广泛用来稳定电流,抑制电涌 及消除电火花。通常采用烧结成瓷、划片所作的压 敏电阻,因工艺限制压敏低压很难做到很低,采用ZnO薄膜便可做到[32]。贾锐等人用喷雾热分解法在 350 °C下合成了 ZnO:BizO3:MnO2=99:0.5:0.5 的薄膜,薄膜具有C轴取向,压敏电压为13.15 V,非线 性吸收 a = 8.09[33]。

 

3 结语

 

宽禁带半导体材料作为一类新型材料,具有独 特的电、光、声等特性,其制备的器件具有优异的性 能,在众多方面具有广阔的应用前景。它能够提高 功率器件工作温度极限,使其在更恶劣的环境下工 作;能够提高器件的功率和效率,提高装备性能;能 够拓宽发光光谱,实现全彩显示。随着宽禁带技术 的进步,材料工艺与器件工艺的逐步成熟,其重要 性将逐渐显现,在高端领域将逐步取代第一代、第二代半导体材料,成为电子信息产业的主宰。

 

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