隨著以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體步入產(chǎn)業(yè)化階段，對新一代半導(dǎo)體材料的探討已經(jīng)進入大眾視野。走向產(chǎn)業(yè)化的銻化物，以及國內(nèi)外高度關(guān)注的氧化鎵、金剛石、氮化鋁鎵等，都被視為新一代半導(dǎo)體材料的重要方向。從帶隙寬度來看，銻化物屬于窄帶半導(dǎo)體，而氧化鎵、金剛石、氮化鋁屬于超寬禁帶半導(dǎo)體。新一代半導(dǎo)體材料，將一路向?qū)?，還是一路向窄？

超寬禁帶半導(dǎo)體：

       “上天入?！保m用范圍廣泛

        禁帶的寬度決定了電子躍遷的難度，是半導(dǎo)體的導(dǎo)電性的決定因素之一。禁帶越寬，半導(dǎo)體材料越接近絕緣體，器件穩(wěn)定性越強，因而超寬禁帶半導(dǎo)體能應(yīng)用于高溫、高功率、高頻率以及較耐輻照等特殊環(huán)境。

      “硅器件工作溫度范圍相對有限，而超寬禁帶半導(dǎo)體可謂‘上天下?！?，適應(yīng)范圍非常寬廣。”中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員閆建昌向《中國電子報》記者表示。

       在光電子領(lǐng)域，超寬禁帶半導(dǎo)體在紫外發(fā)光、紫外探測有著廣闊的應(yīng)用空間?；诘X鎵等超寬禁帶半導(dǎo)體的紫外發(fā)光二極管和紫外激光二極管應(yīng)用于殺菌消毒等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，特定波長的紫外線能幫助人體補鈣。在工業(yè)上，超寬禁帶可用于制造大功率的紫外光源。

       在超寬禁帶半導(dǎo)體中，氮化鋁鎵（氮化鋁和氮化鎵的合金材料）、氧化鎵、金剛石是較有代表性的幾個方向。

       與氧化鎵、金剛石等禁帶寬度相對固定的材料不同，氮化鋁鎵的禁帶寬度可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，是一種靈活的半導(dǎo)體材料。

     “通過調(diào)節(jié)鋁的組份，氮化鋁鎵可以實現(xiàn)不同的禁帶寬度，范圍在氮化鎵的3.4 eV到氮化鋁的6 eV之間。通過合適的比例，可以獲得特定的禁帶寬度，發(fā)射相應(yīng)波長的紫外線，這是一個有趣也有用的屬性?！遍Z建昌表示。

      在制備技術(shù)方面，氮化鋁鎵已經(jīng)具備了一定的積累。

     “氮化鎵和氮化鋁外延制備的主流方法是MOCVD（金屬有機物化學(xué)氣相沉積），在工藝、設(shè)備等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)有了二三十年的積累。氮化鋁鎵作為氮化鎵、氮化鋁的合金材料，在外延制備上與兩者有很多相通之處，產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)開始起步，預(yù)計在接下來的3—5年，會具備規(guī)?；慨a(chǎn)的水準(zhǔn)?！遍Z建昌向記者指出。

      氧化鎵相比寬禁帶半導(dǎo)體具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。目前，氧化鎵材料制備水平進展較快，但是外延、器件方面還有很多工作要做。

    “氧化鎵的禁帶寬度比氮化鎵、碳化硅等更寬，功率可以做得更高，也更加省電。氧化鎵的制備條件比較苛刻，目前外延材料以2-3寸的小尺寸為主，量產(chǎn)和應(yīng)用還有一段路要走。” 西安電子科技大學(xué)郭輝副教授向《中國電子報》記者表示。

      閆建昌指出，散熱能力不足是氧化鎵的弊端，如何繞開這個弊端的話，去充分發(fā)揮它在功率器件的優(yōu)勢，是值得關(guān)注的發(fā)展方向。

      金剛石被視為“終極半導(dǎo)體”材料，具有超寬禁帶、高導(dǎo)熱系數(shù)、高硬度的特點。但也由于硬度最高，實現(xiàn)半導(dǎo)體級別的高純凈度也最為困難，與產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。

    “金剛石難以實現(xiàn)半導(dǎo)體級別的制備和摻雜，但我們可以利用類金剛石或者金剛石顆粒去改善半導(dǎo)體器件的散熱，把金剛石自身的優(yōu)勢和長處先發(fā)揮出來?！遍Z建昌說。

窄禁帶半導(dǎo)體：

      繼續(xù)拓展光譜范圍，集中應(yīng)用在紅外光

      與超寬禁帶半導(dǎo)體相反，銻化物等窄禁帶半導(dǎo)體具有高遷移率、導(dǎo)電性強的特點，應(yīng)用領(lǐng)域也集中在紅外線，與超寬禁帶應(yīng)用的紫外線正好分布在光譜兩端?？梢哉f，超寬禁帶和窄禁帶半導(dǎo)體拓展了人類對光譜的利用范圍。

      在光電子領(lǐng)域，銻化物材料體系有希望成為未來紅外成像系統(tǒng)的主要材料體系。據(jù)中科院半導(dǎo)體研究所教授牛智川介紹，傳統(tǒng)紅外光電材料由于均勻性不足、基片面積小、良率極低等瓶頸，難以實現(xiàn)大陣列、雙色、多色焦平面以及甚遠紅外焦平面的制造。

    “銻化物在具有高性能的前提下，帶隙調(diào)控適用范圍更廣、成本更低、制造規(guī)模更大，銻化鎵基半導(dǎo)體外延材料技術(shù)已經(jīng)成長為紅外光電器件制造的主流?！迸Ｖ谴ㄏ颉吨袊娮訄蟆酚浾弑硎?。

      在微電子領(lǐng)域，銻化物半導(dǎo)體具有超過前三代半導(dǎo)體體系的超高速遷移率，在發(fā)展超低功耗超高速微電子集成電路器件方面潛力重大。

      在熱電器件領(lǐng)域，含銻元素的各類晶體材料具有優(yōu)良的熱電和制冷效應(yīng)，是長期以來熱電制冷器件領(lǐng)域的重要技術(shù)方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

      在制備方面，銻化物窄帶隙半導(dǎo)體與砷化鎵、磷化銦等III-V族體系的結(jié)構(gòu)特性、制備工藝類似或兼容，因此不存在量產(chǎn)技術(shù)的障礙，其制備成本主要受單晶襯底晶圓面積、外延材料量產(chǎn)容量、工藝集成技術(shù)良率的制約。

    “隨著功能器件需求放大，基于銻化物的激光器和探測器制造已經(jīng)在量產(chǎn)方面獲得了充分的驗證，在光電子功能的各類應(yīng)用領(lǐng)域制造規(guī)模逐步擴大，已經(jīng)具備量產(chǎn)條件?！迸Ｖ谴ㄖ赋?。

下一代半導(dǎo)體：

     越走越“寬”還是越“窄”？

     新一代半導(dǎo)體材料是產(chǎn)業(yè)變革的基石。從以硅為代表的第一代半導(dǎo)體材料，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料，以氮化鎵、碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體器件的工作范圍和適用場景不斷拓展，為信息社會的發(fā)展提供有力支撐。