宽禁带半导体研究进展，综述正文

北京工业大学 研究生课程考试答题纸 考试课程：半导体物理 课程类别： 学位课 选修课 研究生学号：S201309046 研究生姓名：马栋 学生类别：博士 硕士 硕士 进修生 考试时间： 2013年 11 月15 日 宽禁带半导体研究进展 马栋 （北京工业大学，科学与工程学院） 摘要：宽禁带半导体作为第三代半导体材料，是开发高频率、大功率、耐高温、抗辐射半导体器件的理想材料。本文首先简要的介绍了碳化硅单晶材料、氮化镓材料以及氧化锌材料，这三种常用的宽禁带半导体材料，及其最新的研究进展，其次又介绍了磁控溅射法，分子束外延法以及金属有机物气相沉积法，这三种常用的制备的宽禁带半导体的方法，最后对宽禁带半导体的应用做了展望。 关键词：宽禁带；半导体；方法；应用；展望 1 引言 半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅、锗等为代的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓、磷化铟、磷化镓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、氮化镓、氮化铝、氧化锌、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]。高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功标志着第三代半导体的兴起[2]。 一般将禁带宽度大于2.2 eV的半导体称为宽禁带半导体，以GaN为代表的宽禁带半导体材料系直接跃迁型半导体材料，其宽带隙特性具有极好的抗辐射特性，其良好的光、电特性，良好的机械性质及其特有的代隙范围，使其在光电器件、大功率、高温、高频电子器件以及一些特种半导体器件等领域有着及其广泛的应用前景[3]。 2 宽禁带半导体材料 2.1 碳化硅单晶材料 目前碳化硅是技术最为成熟的宽禁带半导体材料，是宽禁带材料的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有常温下宽禁带能为3.2eV，击穿电场为4×106V/cm，热导率为4.9W/cm.k，等特点[4]。从结构上讲SiC属于硅碳原子对密排结构，既可以认为是硅原子密排，碳原子占据四面体空位，也可以认为是碳原子密排，硅占据四面体空位[5]。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，目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型[6]。其中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。 2.2 氮化镓材料 氮化镓材料是1928年由Johason等人合成的一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，在大气压下，GaN晶体一般呈六方纤锌矿结构。GaN材料具有良好的电学特性，其禁带宽度为3.39eV，击穿电压为3×106V/cm，室温下，电子迁移率为1000cm2/V.s[7]，因而被认为是研究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、更高温度情况下工作。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重点[3]。 2.3 氧化锌材料 与氮化镓材料相比氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料， 室温下的禁带宽度为3.36eV，特别是它的激子结合能高达60meV[8]。这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件，此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性，而且它的来源丰富，价格低廉，这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值[9]。它既适合制作高效率蓝色、紫外发光和探测器等光学电器，还可以制造气敏器件、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[10]。 3 常用的制备技术 3.1 磁控溅射法 磁控溅射法是一种常用的制备薄膜的方法，在制备宽禁带半导体材料中有着广泛的应用，特别是在制备氮化镓和氧化锌薄膜上，已经有了很大的进步和突破。磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁） 之间施加几百K 直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。厦门大学吴跃波博士对磁控溅射法制备ZnO薄膜进行了深入的研究，他利用简便的射频磁控溅射技术在SiO2/Si和石英玻璃衬底上制备高质量的ZnO及其掺Al（AZO）薄膜[11]。 3.2 分子束外延法（MBE） 分子束外延是种物理沉积单晶薄膜方法。在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。王引书等[12]人利用气源分子束外延法，在低温下制备出了单晶3C-SiC薄膜，研究表明用C2H2先对(111)Si衬底进行碳化生长一层缓冲层，900℃即可在碳化层上制备出单晶3C-SiC薄膜。 3.3 金属有机物气相沉积法（MO-CVD） 主要将载流气体通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。 一般而言，载流气体通常是氢气，但是也有些特殊情况下采用氮气。常用的基板为砷化镓、磷化镓、蓝宝石等。MO-CVD制备氮化镓薄膜时一般利用氨气作为氮源，用蓝宝石作为基板[3]。 4 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。 参考文献 [1] 梁春广．GaN-第三代半导体材料[J]．新材料产业，2002(6):14-17． [2] Nakamura S,Senoh M,Twasa N et.Superbright green InGaN single-quantum-well-structure light-emitting diodes.Jpn.J.Appl.Phys,1995,34:L1332. [3] 蒋华荣，肖顺珍，李艳.氮化物半导体研究进展.半导体技术，2000(25):16-20. [4] Philip G.Neudeck. SiC technology[C].NASA Lewis Research Center ,1998. [5] 陈友存.碳化硅与金刚石.安庆师范学院学报[J],1999(4):50-51. [6] 何耀洪，谢重木.宽禁带半导体材料特性及生长技术[J].1999,24(4):31-39. [7] 邓志杰，郑安生.半导体材料[M].北京：化学工业出版社，2004. [8] LookDC, ClaflinB. P-typedopinganddevicesbasedonZnO.Phys. Stat. Sol. (B), 2004,241: 624. [9] 洪瑞金，贺洪波，邵建达，范正修.宽禁带氧化锌半导体薄膜的研究进展.激光与光电子学进展.2005,42(2):41-44 [10] Look D C .Recent advances in ZnO materials and devices[J].Materials Science and Engineering ,2001,80:383. [11] 吴跃波.磁控溅射制备ZnO及其掺Al薄膜与MSM紫外光电探测器的研制.厦门大学博士.2008 [12] 王引书,李晋闽,张方方. Si(110)衬底上SiC的外延生长[J]. 材料研究学报,2000,14:91. 题号� 分数� 任课教师签名� � 一� � � � 二� � � � 三� � � � 四� � � � 五� � � � 六� � � � 七� � � � 八� � � � 九� � � � 十� � � � 总分� � � �