宽禁带半导体技术

1、宽禁带半导体技术李耐和概述根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg2.0-6.0ev,则称为宽禁带半导体，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、4H碳化硅（4H SiC）、 6H碳化硅（6H SiC）、氮化铝（AIN）以及氮化镓铝（ALGaN）等。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、 击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等 特点，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可 以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带

2、半导体技 术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术， 其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率附加效率（PAE）、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带 半导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代 以来的10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主 要原因就是无法得到理想的SiC基底一一不但要具有足够高电阻系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺 陷（如微

3、孔）数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制 作微波与毫米波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的大尺寸晶片。值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻 率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与MMIC （单片微波集成电路）的技术要求。此外，宽禁带 外延结构演示结果也令人满意。例如，GaNHEMT（高电子迁移率晶体管）在2.1GHz时饱和功率输出174W， PAE高达54%，其150W输出功率（2.1GHz）的线性增益为12.9dB。技术现状在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的大力支持，

4、宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是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），已成为加速 改进SiC、GaN以及AIN等宽禁带半导体材料特性的重要催化剂。在该计划第一阶段（20022004年）期间，市售SiC基底直径已由2英寸增加到3英寸；同时，部分供 应商正在研制4英寸SiC基底，预计2006年商品化。目前，至少一家供应商（如Cree公司）已经建立 SiC器件与MMIC圆片代工厂，并出售高功率SiC器件。表1则给出利用MBE（分子束外延）以及MOCVD （金属有机化合物气相沉积）技术生长的GaN外延层性能指标。同样，在获得可再现高电子迁移率活性 层以及在材料特性一致性方面也取得了令人满意的结果。表1 WEGSTI第一阶段GaN外延生长结果技术性能指标2002 年2004 年MBE材料控制与一致性表面电阻变化（）52.16圆片直径（mm）5075电器特性霍尔移动率（cm