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第三代半导体材料将全面取代第一、二代半导体材料

导读: 第一代半导体材料是元素半导体的天下,而第二、三代半导体材料便成化合物的天下,这其中经历了什么故事?而我国憋足大招准备在第三半导体材料方面弯道超车是否现实?

  OFweek电子工程网讯 第一代半导体材料是元素半导体的天下,而第二、三代半导体材料便成化合物的天下,这其中经历了什么故事?而我国憋足大招准备在第三半导体材料方面弯道超车是否现实?

  今天就来讲讲半导体材料的故事,从第一、二代走过,第三代半导体材料将讲述怎样的未来。

  第一代半导体材料

  20世纪50年代,锗(Ge)站在光鲜的舞台上,应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但锗半导体器件在耐高温与抗辐射方面却存在大大的短板,所以在60年代便把主导地位让给了硅。含量丰富、绝缘性好、提纯结晶简单,硅是至今应用最多的一种半导体材料主要应用于数据运算等领域。

  第二代半导体材料

  随着科技需求的日益增加,硅传输速度慢、功能单一的不足便暴露了出来,于是化合物半导体材料应运而生。20世纪90年代,搭上移动通信、光纤通信的顺风车,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料逐渐登上舞台,其中以砷化镓技术最为成熟。适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,主要应用于通信领域,比如卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等。

  第三代半导体材料

  然而随着半导体器件应用领域的不断扩大,特别是特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率等环境下依然坚挺,第一、二代半导体材料便无能为力,于是第三代半导体材料——宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev)成为被关注的重点,主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAS)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN),较为成熟的是碳化硅和氮化镓被称为第三代半导体材料的双雄,而氧化锌、金刚石、氮化铝的研究尚属起步阶段。

  第三代半导体材料的崛起还有另外一个契机,半导体材料在生产中的主要污染物有GaAs、Ga3+、In3+等,而随着环保绿色概念的推广,人们试图找寻一种既能满足产品需求,又能不污染环境的新型半导体材料,于是目光投向了有机半导体(在半导体材料中渗入有机材料如C和N),GaN、SiC成为新星。

  如今,以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起,抢占第三代半导体材料技术的高地也愈发激烈。第三代半导体材料为何如此耀眼,又将掀起一场怎样的技术革命呢?

  材料特性

  第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的等优点。第三代半导体材料还具有发光效率高、频率高等特点,从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用,且在跃迁时放出光子的能量高,因此会有较高的光发射效率,光子发射的频率也较高。

  下图为第一、二、三代主要半导体材料的基本性能对比。

第三代半导体材料将全面取代第一、二代半导体材料

  SiC是一种天然超晶格,又是一种典型的同志多型体。由于Si与C双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构,因此SiC有着超过200种(目前已知)同质多型族,最被人熟知的便是立方密排的3C-SiC和六方密排的2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC。

第三代半导体材料将全面取代第一、二代半导体材料

  4H-SiC与6H-SiC的带隙是Si的3倍、是GaAs的两倍;击穿电场强度高于Si一个数量级;饱和电子漂移速度是Si的2.5倍。

  GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点(约为1700℃)材料,GaN晶体一般是六方纤锌矿结构,原子体积大约为GaAs的一半。GaN受青睐的主要原因是它是宽禁带与硅或者其他三五价器件相比,氮化镓速度更快,击穿电压也更高。与硅器件相比,GaN在电源转换效率和功率密度上实现了性能的飞跃。

  AlN具有宽禁带(6.2eV),高热导率(3.3W/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。

  金刚石是已知材料中硬度最高的,禁带宽度大(5.5eV),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。

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责任编辑:lin
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