書籍：《炬豐科技-半導(dǎo)體工藝》

文章：超寬帶隙半導(dǎo)體

編號：JFKJ-21-407

作者：炬豐科技

摘要

? 超寬帶隙 (UWBG) 半導(dǎo)體的帶隙明顯寬于 GaN 的 3.4 eV，代表了半導(dǎo)體材料、物理、器件和應(yīng)用領(lǐng)域一個令人興奮且具有挑戰(zhàn)性的新研究領(lǐng)域。由于器件性能的許多品質(zhì)因數(shù)與帶隙呈非線性關(guān)系，因此人們早就知道這些半導(dǎo)體在高功率和 RF 電子學(xué)以及深紫外光電子學(xué)、量子信息和極端環(huán)境應(yīng)用。然而，直到最近，UWBG 半導(dǎo)體材料，如高鋁含量的 AlGaN、金剛石和 Ga2O3，才逐漸成熟，實現(xiàn)其一些誘人的優(yōu)勢是相對近期的可能性。

介紹

? 現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)只有 70 年的歷史，但已經(jīng)改變了人類社會。這些技術(shù)的核心是半導(dǎo)體材料本身的物理特性：它們的基本電子和光學(xué)特性使電子、空穴和光子能夠在各種設(shè)備架構(gòu)和操作環(huán)境中相互作用和相互控制。

? 在這個介紹性的第 1 節(jié)中，我們簡要回顧了各種半導(dǎo)體技術(shù)所基于的材料的歷史，以便將這里感興趣的新興超寬帶隙 (UWBG) 材料置于更大的歷史背景中。討論從較窄帶隙材料 Ge、Si 和 III-As 和 III-P 族開始，然后繼續(xù)討論最近的寬帶隙材料 InGaN/GaN 和 SiC。然后我們介紹了本文的主題，新興的 UWBG 材料，如 AlGaN/AlN、金剛石和 Ga2O3。

寬帶隙 SiC 和 GaN：電子產(chǎn)品

? 雖然基于 InGaN 的光電子學(xué)一直是寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料發(fā)展的主要驅(qū)動力，但對電子學(xué)的興趣也很高。事實上，對于電子產(chǎn)品，一些適用于光電子產(chǎn)品的半導(dǎo)體材料限制已經(jīng)放寬。最重要的是，帶隙不需要是直接的，因此 SiC 成為一種可行的材料；并且發(fā)光效率并不重要，因此 GaN 和 AlGaN，而不僅僅是 InGaN，成為可行的材料。在 SiC 和 GaN/AlGaN 兩種材料中，SiC 的歷史比較悠久。

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超寬禁帶半導(dǎo)體

? 即使 WBG 半導(dǎo)體材料不斷成熟，更新的超寬帶隙 (UWBG) 半導(dǎo)體材料也即將出現(xiàn)。這些包括 AlGaN/AlN、金剛石、Ga2O3 和立方氮化硼，也許還有其他尚未發(fā)現(xiàn)的。這些新材料的帶隙明顯寬于GaN 的 3.4 eV——在 AlN 的情況下，寬度可達(dá) ~6.0 eV。而且，由于器件性能的許多品質(zhì)因數(shù)以高度非線性的方式隨著帶隙的增加而變化，因此這些 UWBG 材料具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng) WBG 材料的性能潛力。

? 例如，在低頻單極垂直功率開關(guān)的簡單情況下，Baliga 品質(zhì)因數(shù)（BFOM）[22] 被定義為 V2BR/RON-SP。這里，VBR 是擊穿電壓（開關(guān)在關(guān)斷時可以阻斷的最大電壓），RON-SP 是比導(dǎo)通電阻（開關(guān)導(dǎo)通時單位面積電導(dǎo)的倒數(shù)）。

材料

? 如第 1 節(jié)中所討論的，直到最近，對 UWBG 材料合成和性能的控制才發(fā)展到我們可以設(shè)想實現(xiàn)其一些誘人優(yōu)勢的地步。三種材料引領(lǐng)潮流——AlGaN/AlN、金剛石和 Ga2O3——這些是本第 2 節(jié)中最詳細(xì)討論的材料。然而，我們強(qiáng)調(diào)，未來潛在興趣的 UWBG 材料的空間超出了這些三，將在第 2.4 節(jié)和第 4.1 節(jié)的廣泛材料屬性表 2 中簡要介紹。

? 在這里，為了將這三種材料放在上下文中，表 1 顯示了它們的一些物理特性以及對器件應(yīng)用很重要的三個指標(biāo)的最新技術(shù)：它們的基板質(zhì)量大約通過位錯測量/ cm2 和基材直徑；它們的 n 摻雜能力；以及它們的 p 摻雜能力。一些器件即使沒有所有三個指標(biāo)的良好值也能滿足特定應(yīng)用：例如，單極多數(shù)載流子場效應(yīng)晶體管 (FET) 可能具有合理的性能，而無需高襯底質(zhì)量且僅使用一種類型的摻雜。

? 圖 2：（a）弓形襯底示意圖：最初通過一維（垂直）外延在晶格不匹配或熱膨脹不匹配的外來襯底或種子上生長；然后通過某種化學(xué)或物理過程從外來基質(zhì)或種子中釋放出來；其自然晶格常數(shù)隨著彎曲而松弛。(b) 即使該彎曲的基板被拋光平整，其晶格仍然是彎曲的，結(jié)果是平臺寬度從晶片的中心到邊緣減?。ㄅ_階密度增加）。(c) 另一種方法可能是通過迭代晶體膨脹在天然種子上生長。（原圖由北卡羅來納州立大學(xué)的 Zlatko Sitar 和 Ramon Collazo 提供。）

單晶基板

? 幾乎所有成熟的半導(dǎo)體技術(shù)的起點都是高質(zhì)量的襯底，與將在其上外延生長的感興趣的有源半導(dǎo)體材料晶格匹配或幾乎晶格匹配。InGaN 光電子技術(shù)的獨特之處在于，盡管它們普遍使用非晶格匹配的外來襯底（例如藍(lán)寶石和 SiC）并由此產(chǎn)生高 (~108/cm2) 缺陷密度，但它們還是取得了成功。 然而，即使是這些現(xiàn)在無處不在的 InGaN 光電子技術(shù)在使用低缺陷密度單晶 GaN 襯底時得到顯著改進(jìn)。盡管存在高缺陷密度，但我們不能忽視在非晶格匹配的外來襯底上開發(fā)具有類似良好性能的 AlGaN 技術(shù)的可能性。

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? GaN 襯底是顯而易見的可能性，因為它們已經(jīng)被開發(fā)用于 InGaN 光電子和 GaN 電力電子技術(shù)。然而，GaN 襯底上的高質(zhì)量外延生長僅限于適用于 WBG 而不是 UWBG 應(yīng)用的較低 Al 含量的 AlGaN（例如，對于發(fā)射波長比 UV-A 波段中部更長的激光器，約 365 nm）。對于Al含量較高的AlGaN，外延層與GaN襯底之間的晶格失配會越來越大，當(dāng)應(yīng)變外延層超過其臨界厚度時，會產(chǎn)生帶有一些失配成分的穿透位錯，從而顯著降低器件性能。更糟糕的是，在 GaN 襯底上生長的 AlGaN 層處于拉伸應(yīng)力下，容易形成擴(kuò)展裂紋，從而使異質(zhì)結(jié)構(gòu)變得無用。

半導(dǎo)體材料

? 自半導(dǎo)體誕生以來，受半導(dǎo)體材料從科學(xué)好奇心轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)相關(guān)性的唯一必要步驟。盡管取得了很大進(jìn)展，但即使對于最成熟的 UWBG 半導(dǎo)體：AlN、金剛石和 Ga2O3，也尚未實現(xiàn)類似于 GaN 的 Mg 受體 p 型摻雜的突破。這部分是由于存在傳統(tǒng)窄隙半導(dǎo)體中不存在的三個障礙。

? 首先是大多數(shù)摻雜劑電離能隨帶隙增加的事實。隨著電離能的增加，從束縛態(tài)到自由態(tài)被熱力學(xué)“激活”的載流子比例減少，使得在室溫下實現(xiàn)許多設(shè)備所需的 UWBG 自由載流子濃度變得困難。