2020年11月24日 | 超宽禁带半导体的卓越设计

在半导体领域有一个名词叫禁带宽度(Band gap)，它指的是导带与价带之间的带隙宽度(单位是电子伏特(ev))。众所周知固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，自由空穴存在的能带称为价带(亦能导电)。被束缚的电子要成为自由电子或者空穴，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关，禁带宽度越窄，材料的物性倾向于金属，反之则倾向于绝缘体。

在现有半导体材料中，根据禁带宽度不同可分为：窄禁带半导体材料（包含锗、硅及GaAs等）、宽禁带半导体材料（SiC、GaN等）及超宽禁带半导体材料（带隙大于3.4eV的AlGaN、金刚石、氧化镓等）。

今天我们介绍的对象是目前处于发展萌芽期的和性能优越但目前尚未能制成体单晶的新型超宽禁带材料（UWBG）。

UWBG：超高效的材料

超宽禁带半导体(UWBG)的出现为许多领域开辟了新的机遇，因为它们具有许多优越性能。UWBG带隙比硅(Si，带隙1.1eV)、宽带隙半导体 (GaN，带隙3.4eV)和碳化硅(SiC，带隙3.3eV)都要宽得多。其中，氧化镓(Ga2O3)、氮化三硼(c-BN)、氮化铝镓(AlGaN)等材料是UWBG的典型代表。本文将对这些UWBG半导体材料在电子设计中的潜在应用进行介绍。

ＷＢＧ

在了解UWBG半导体之前，先回顾宽禁带WBG半导体。WBG半导体比同等的硅器件更小、更快、更高效。而带隙是材料的基本属性，根据带隙值有助于确定材料的导电性和晶体管的性能。WBG材料能够让器件工作在高压、高频和高温条件下，而且随着研究的深入，宽禁带材料已经开始对功率转换系统产生影响。

WBG设备还能在更具挑战性的操作条件下提供更高的可靠性。在电力电子领域，WBG与Si相比具有低损耗、高效率、高开关频率、高工作温度、在恶劣环境下的稳健性和高击穿电压，应用范围广等诸多优势。从工业功能，如电机驱动器和电源，到汽车和运输系统，包括混合动力和电动汽车(HEV/EV)，光伏(PV)逆变器，铁路和风力涡轮机都有所涉及。生产这些产品的供应商也遍布全球:

GaN Systems

Infineon Technologies

ON Semiconductor

Qorvo

ROHM Semiconductor

STMicroelectronics

Wolfspeed/Cree

作为行业领导者，Cree进入WBG已有段时间了，其产品组合包括MOSFET，肖特基二极管、整流器，LED灯等。 2011年，Cree推出了SiC MOSFET Z-FET™线，它具备目前业界最高的效率，同时也提升了电源开关应用的可靠性。

UWBG半导体的分类

氮化镓铝(AlGaN)

GaN是WBG半导体的典型代表。当铝与氮化镓产生反应时，AlGaN 这种UWBG半导体就诞生了，它通常在3.4eV-6.2eV范围内。AlGaN常用于生产发光二极管(led)和激光二极管。之所以这样使用AlGaN，是因为它的带隙可以使光线在大约220nm-450nm范围内。它还被用作紫外探测器和高电子迁移率晶体管(HEMT)。

氮化铝(AlN)

除去Ga，将AL与氧化氮进行化合，就会产生氮化铝(AlN)，像AlGaN一样，氮化铝经常被用于光电产品中，比如紫外线(UV) Led灯。AlN带隙6.1eV，导热性能优良，化学稳定性好。它可以早较高频率和功率下工作。

立方氮化硼(C-BN)

硼和氮的化合反应可以生成氮化硼，其中一种是立方硼氮化硼(C-BN)。C-BN的带隙宽度为6.4eV。这种化合物的独特之处在于它与钻石、纯碳的性质相似，C的带隙为5.5 eV。自然界间，钻石是最坚硬的材料，而C-BN不像钻石那么硬，但它提供更高的化学和热稳定性水平。

氧化镓(Ga2O3)

Ga2O3带隙为4.9eV，它是一种无机化合物，可以说是镓的氧化版。Ga2O3有5种同分异构体，分别为α、β、γ、δ、ε，这5种晶相分别有各自的特点，其中最稳定的是β-异构体，这些性质决定在不同领域具有潜在应用。它主要用于光电应用。2019年日本科学家发现α－Ga2O3禁带宽度带隙为5．3 eV，优于β－Ga2O3，且还可以解决P型掺杂的难题。可惜目前国际上尚无α－Ga2O3体单晶材料被制备出来的相关报道。科学家们正在探索利用熔体生长制造大块单晶的低成本、大直径晶片的可能性。如能尽快攻关α－Ga2O3单晶材料的制备难关，相信未来α－Ga2O3体单晶材料有望应用于高端功率器件领域。

表1:几种UWBG材料的带隙特性。

氧化锡（SnO2）单晶材料

氧化锡（SnO2）是一种新型的宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为3.6eV。由于其具有可见光透光性好、电阻率低、物理化学性质稳定等特点，已被广泛应用于气敏传感器、透明导电薄膜及光电器件等领域。

然而之前限于晶体制备技术有限，不能制备出高质量的体单晶材料，故无法开展氧化锡在电力电子器件方面的研究工作。直到近期，德国莱布尼茨晶体研究所在氧化锡（SnO2）体单晶熔体法制备技术方面取得了突破，已制备出小尺寸的氧化锡（SnO2）体单晶材料。相信此举对氧化锡（SnO2）超宽禁带材料的发展起到重要的推进作用。与氧化锡宽禁带材料情况相似的还有氧化铟（In2O3）材料等等。

金刚石

金刚石，室温下间接带隙禁带宽度为5.47eV。金刚石属立方晶系，其特殊的晶体结构和强的碳-碳键相互作用使其具有极高的击穿电场、极高的功率容量、极高热导率、低介电常数、高饱和载流子速度和迁移率、化学稳定性和发光特性。更为重要的是其各种优越性质的综合体现，使得金刚石成为最有潜力的宽带隙半导体材料，可应用于大功率电力电子器件、毫米波器件、高频电子器件、激光器器件及量子信息传输等。

对电力电子的影响

WBG半导体实现了更有效和紧凑的功率转换，并且提供了较低的欧姆损失。探索UWBG半导体材料的潜力，是为了实现功率密度的一些未知数量级的改进，是从Si到WBG组件的转变。UWBG半导体还提供了在不发生热击穿或可靠性问题的情况下切换大规模电压的潜力。例如，AlGaN的Ron值可能比GaN低10倍。UWBG还具有:

高频率下的高效率

低欧姆损耗

更高的可靠性

更好的品质因数FOM

为了产生更高的变换器功率密度(瓦特/面积a3)，工程师们用性能指标(FOM)来评价。较低的FOM值意味着较低的功率损失。

UWBG的优势

在中频范围(1kHz到1MHz)的高电压下，UWBG比WBG更有优势。由于其他影响性能的影响，在低频率和高频率时，这种好处就不那么明显了。

UWBG比WBG材料的优点是击穿电压随带隙增大而增大。使用较厚漂移区生长的UWBG半导体器件显示较高的击穿电压。AlGaN器件中的高AL组合物提供更高的击穿电压。然而，这有一个缺点。这些高铝能级也导致更高的电子迁移率。热导率也有类似的问题。

UWBG还可以为射频(RF)设备提供优势。AlGaN由于具有较高的临界电场(Ec)，它比GaN产生更好的J-FOM（品质因数的一种类型）。带隙的临界电场的这种强尺度可以优化FOM，这为超越现有电力电子的边界提供了巨大的潜力。

UWBG：潜力深不可测

目前研究人员正在对基础材料进行进一步的研究。他们正在寻找如何有效地增长大块和外延UWBG半导体。以确定在优化掺杂工艺和表征材料的同时，减少潜在缺陷。特别是随着Al含量的增加，p型掺杂产生了挑战。

从理论上讲，热活化孔对于高铝合金并不可行。在物理学中，实验一直与在各种电子场条件下有效支持电子输运的最佳方式有关。光学特性和电击穿给物理学家们带来了新的挑战，他们试图加以利用。但考虑到设备架构、封装、制造和加工都需要将产品商业化。每个边缘终端对于防止过早击穿都很重要。为此，研究人员正在收集可以证明UWBG有益的应用信息。

结论

UWBG代表了下一代超高性能的高功率电子产品。它凭借着更高的禁带宽度、热导率以及相对稳定性等特点，在新一代深紫外光电器件、高压大功率电力电子器件、射频器件等国防科技及重大关键应用领域具有显著的优势和巨大的发展潜力。与此同时，世界上很多国家已经把UWBG材料作为宽禁带半导体的重要组成部分，将其相关研究列入重点发展计划。

美国从2002年开始启动“半导体紫外光光源”研究计划，投资4500万美元，主要任务是研究AlN等宽禁带化合物半导体晶体的生长技术及其在发光器件方面的应用。日本于2004年也相应地启动了“高效率紫外发光半导体”研究计划，投资2.5亿日元。2013年，美国奥巴马政府宣布成立“清洁能源制造创新学院”，该学院重点聚焦“宽禁带半导体电力电子器件”技术的研究和发展，以生产成本更低、性能更好的电子产品，满足未来的电力需求。

我国科学技术部于2015年通过国家重点研发计划对宽禁带半导体材料和衬底的研究给予近3000万元的资助，提升国内宽禁带半导体材料和器件的水平。2018年国家重点研发计划“战略先进电子材料”专项中布局了“第3代半导体材料与半导体照明”方向，其中包含超宽禁带半导体材料。

可以看出，研究人员们在不断了解UWBG在未来电子设计中的潜在优势和应用时，创新将继续激发新的进步，这也有望帮助设计师超越当前限制。随着科学家和设计师开发工艺改进，我们期待着能够将UWBG半导体的优越性能纳入到设计中去。