李寶珠

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220)

半導(dǎo)體材料種類繁多，分類方法各不相同，一般將以硅(Si)、鍺(Ge)等為代表的元素半導(dǎo)體材料稱為第一代半導(dǎo)體材料；以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)等為代表的化合物半導(dǎo)體材料稱為第二代半導(dǎo)體材料；以碳化硅 (SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁（AlN）、氧化鋅(ZnO)、金剛石為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料稱為第三代半導(dǎo)體材料[1]。

以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料的發(fā)展是從20世紀(jì)50年代開始，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域[2]。

20世紀(jì)90年代以來，隨著移動(dòng)無限通信的飛速發(fā)展和以光纖通信為基礎(chǔ)的信息高速公路和互聯(lián)網(wǎng)的興起，第二代半導(dǎo)體材料開始興起。由于其具有電子遷移率高、電子飽和漂移速度高等特點(diǎn)，適于制備高速和超高速半導(dǎo)體器件，目前基本占領(lǐng)手機(jī)制造器件市場[3]。

當(dāng)前，電子器件的使用條件越來越惡劣，要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。近年來，新發(fā)展起來了第三代半導(dǎo)體材料--寬禁帶半導(dǎo)體材料，該類材料具有熱導(dǎo)率高、電子飽和速度高、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等特點(diǎn)[4]，這就從理論上保證了其較寬的適用范圍。目前，由其制作的器件工作溫度可達(dá)到600℃以上、抗輻照1×106 rad；小柵寬GaN HEMT器件分別在4 GHz下，功率密度達(dá)到40 W/mm；在8 GHz，功率密度達(dá)到30 W/mm；在 18 GHz，功率密度達(dá)到 9.1 W/mm；在 40 GHz，功率密度達(dá)到10.5 W/mm；在80.5 GHz，功率密度達(dá)到2.1 W/mm，等。因此，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已成為當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新型動(dòng)力。

從目前寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的研究情況來看，研究重點(diǎn)多集中于碳化硅 (SiC)和氮化鎵(GaN)技術(shù)，其中SiC技術(shù)最為成熟，研究進(jìn)展也較快；而GaN技術(shù)應(yīng)用廣泛，尤其在光電器件應(yīng)用方面研究比較深入[5]。氮化鋁、金剛石、氧化鋅等寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研究報(bào)道較少，但從其材料優(yōu)越性來看，頗具發(fā)展?jié)摿Γ嘈烹S著研究的不斷深入，其應(yīng)用前景將十分廣闊。

1 寬禁帶半導(dǎo)體材料

1.1 碳化硅單晶材料

在寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域就技術(shù)成熟度而言，碳化硅是這族材料中最高的，是寬禁帶半導(dǎo)體的核心。SiC材料是IV-IV族半導(dǎo)體化合物，具有寬禁帶(Eg：3.2 eV)、高擊穿電場(4×106V/cm)、高熱導(dǎo)率(4.9 W/cm.k)等特點(diǎn)[6]。從結(jié)構(gòu)上講，SiC材料屬硅碳原子對(duì)密排結(jié)構(gòu)，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面體空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面體空位[7]。對(duì)于碳化硅密排結(jié)構(gòu)，由單向密排方式的不同產(chǎn)生各種不同的晶型,業(yè)已發(fā)現(xiàn)約200種[8]。目前最常見應(yīng)用最廣泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特別適用于微電子領(lǐng)域，用于制備高頻、高溫、大功率器件；6H-SiC特別適用于光電子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。

第一代、第二代半導(dǎo)體材料和器件在發(fā)展過程中已經(jīng)遇到或?qū)⒁龅揭韵轮卮筇魬?zhàn)和需求[9,10]：

(1)突破功率器件工作溫度極限，實(shí)現(xiàn)不冷卻可工作在300℃～600℃高溫電子系統(tǒng)。

(2)必須突破硅功率器件的極限，提高功率和效率，從而提高武器裝備功率電子系統(tǒng)的性能。

(3)必須突破GaAs功率器件的極限，在微波頻段實(shí)現(xiàn)高功率密度，實(shí)現(xiàn)固態(tài)微波通訊系統(tǒng)、雷達(dá)、電子對(duì)抗裝備更新?lián)Q代。

(4)必須拓寬發(fā)光光譜，實(shí)現(xiàn)全彩顯示、新的光存儲(chǔ)、紫外探測以及固態(tài)照明。

隨著SiC技術(shù)的發(fā)展，其電子器件和電路將為系統(tǒng)解決上述挑戰(zhàn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此SiC材料的發(fā)展將直接影響寬禁帶技術(shù)的發(fā)展。

SiC器件和電路具有超強(qiáng)的性能和廣闊的應(yīng)用前景，因此一直受業(yè)界高度重視，基本形成了美國、歐洲、日本三足鼎立的局面。目前，國際上實(shí)現(xiàn)碳化硅單晶拋光片商品化的公司主要有美國的Cree公司、Bandgap公司、Dow Dcorning公司、II-VI公司、Instrinsic公司；日本的Nippon公司、Sixon公司；芬蘭的Okmetic公司；德國的SiCrystal公司，等。其中Cree公司和SiCrystal公司的市場占有率超過85%。在所有的碳化硅制備廠商中以美國Cree公司最強(qiáng)，其碳化硅單晶材料的技術(shù)水平可代表了國際水平，專家預(yù)測在未來的幾年里Cree公司還將在碳化硅襯底市場上獨(dú)占鰲頭。

美國Cree公司1993年開始有6H碳化硅拋光片商品出售，過去的十幾年里不斷有新品種加入，晶型由6H擴(kuò)展到4H；電阻率由低阻到半絕緣；尺寸由25.4～76.2mm(1～3英寸)，最近101.6mm(4英寸)拋光片已投入市場。

2002年美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)與實(shí)施的寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃 (WBGSTI)[11]，已成為加速改進(jìn)SiC、GaN以及AIN等寬禁帶半導(dǎo)體材料特性的重要“催化劑”。該計(jì)劃基本能夠指引以SiC材料為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料向大尺寸、低缺陷密度、半絕緣方向發(fā)展。

1.2 氮化鎵材料

GaN材料是1928年由Johason等人合成的一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，在大氣壓力下，GaN晶體一般呈六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，它在一個(gè)元胞中有4個(gè)原子，原子體積大約為GaAs的1/2；其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，常溫下不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中以非常緩慢的速度溶解；在HCl或H2下高溫中呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2下最為穩(wěn)定。GaN材料具有良好的電學(xué)特性[12]，寬帶隙(3.39 eV)、高擊穿電壓(3×106 V/cm)、高電子遷移率(室溫 1000 cm2/V·s)、高異質(zhì)結(jié)面電荷密度(1×1013 cm-2)等，因而被認(rèn)為是研究短波長光電子器件以及高溫高頻大功率器件的最優(yōu)選材料，相對(duì)于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，GaN器件可以在更高頻率、更高功率、更高溫度的情況下工作。另外，氮化鎵器件可以在1～110 GHz范圍的高頻波段應(yīng)用，這覆蓋了移動(dòng)通信、無線網(wǎng)絡(luò)、點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)微波通信、雷達(dá)應(yīng)用等波段。近年來，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物因在光電子領(lǐng)域和微波器件方面的應(yīng)用前景而受到廣泛的關(guān)注。

作為一種具有獨(dú)特光電屬性的半導(dǎo)體材料，GaN的應(yīng)用可以分為兩個(gè)部分：憑借GaN半導(dǎo)體材料在高溫高頻、大功率工作條件下的出色性能可取代部分硅和其它化合物半導(dǎo)體材料[13]；憑借GaN半導(dǎo)體材料寬禁帶、激發(fā)藍(lán)光的獨(dú)特性質(zhì)開發(fā)新的光電應(yīng)用產(chǎn)品。目前GaN光電器件和電子器件在光學(xué)存儲(chǔ)、激光打印、高亮度LED以及無線基站等應(yīng)用領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢(shì)，其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體管是當(dāng)前器件制造領(lǐng)域最為感興趣和關(guān)注的。

國外在氮化鎵體單晶材料研究方面起步較早，現(xiàn)在美國、日本和歐洲在氮化鎵體單晶材料研究方面都取得了一定的成果，都出現(xiàn)了可以生產(chǎn)氮化鎵體單晶材料的公司，其中以美國、日本的研究水平最高。

美國有很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司都開展了氮化鎵體單晶制備技術(shù)的研究，一直處于領(lǐng)先地位，先后有 TDI、Kyma、ATMI、Cree、CPI等公司成功生產(chǎn)出氮化鎵單晶襯底。Kyma公司現(xiàn)在已經(jīng)可以出售1英寸、2英寸、3英寸氮化鎵單晶襯底，且已研制出4英寸氮化鎵單晶襯底。

日本在氮化鎵襯底方面研究水平也很高，其中住友電工(SEI)和日立電線(Hitachi Cable)已經(jīng)開始批量生產(chǎn)氮化鎵襯底，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)等也開展了相關(guān)研究。日立電線的氮化鎵襯底，直徑達(dá)2英寸，襯底上位錯(cuò)密度都達(dá)到1×106 cm-2水平。

歐洲氮化鎵體單晶的研究主要有波蘭的Top-GaN和法國的Lumilog兩家公司。TopGaN生產(chǎn)GaN材料采用HVPE工藝，位錯(cuò)密度1×107 cm-2，厚度0.1～2mm，面積大于400mm2。

綜上，國外的氮化鎵體單晶襯底研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，部分公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氮化鎵體單晶襯底的商品化，技術(shù)趨于成熟，下一步的發(fā)展方向是大尺寸、高完整性、低缺陷密度、自支撐襯底材料[14]。

1.3 氮化鋁材料

AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4 eV的直接帶隙，可以廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域。與砷化鎵等材料相比，覆蓋的光譜帶寬更大，尤其適合從深紫外到藍(lán)光方面的應(yīng)用，同時(shí)Ⅲ族氮化物具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良、擊穿電壓高、介電常數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，使得Ⅲ族氮化物器件相對(duì)于硅、砷化鎵、鍺甚至碳化硅器件，可以在更高頻率、更高功率、更高溫度和惡劣環(huán)境下工作，是最具發(fā)展前景的一類半導(dǎo)體材料。

AlN材料具有寬禁帶 (6.2 eV)，高熱導(dǎo)率(3.3 W/cm·K)，且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好[12]，所以AlN是制作先進(jìn)高功率發(fā)光器件(LED，LD)、紫外探測器以及高功率高頻電子器件的理想襯底材料。

近年來，GaN基藍(lán)、綠光LED、LD、紫外探測器以及大功率高頻HEMT器件都有了很大發(fā)展[15,16]。在AlGaN HEMT器件方面，AlN與GaN材料相比有著更高的熱導(dǎo)率，而且更容易實(shí)現(xiàn)半絕緣；與SiC相比，則晶格失配更小，可以大大降低器件結(jié)構(gòu)中的缺陷密度，有效提高器件性能。AlN是生長Ⅲ族氮化物外延層及器件結(jié)構(gòu)的理想襯底，其優(yōu)點(diǎn)包括：與GaN有很小的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配；化學(xué)性質(zhì)相容；晶體結(jié)構(gòu)相同，不出現(xiàn)層錯(cuò)層；同樣有極化表面；由于有很高的穩(wěn)定性并且沒有其它元素存在，很少會(huì)有因襯底造成的沾污。AlN材料能夠改善器件性能，提高器件檔次，是電子器件發(fā)展的源動(dòng)力和基石。

目前國外在AlN單晶材料發(fā)展方面，以美國、日本的發(fā)展水平為最高。美國的TDI公司是目前完全掌握HVPE法制備AlN基片技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的唯一單位。TDI的AlN基片是在〈0001〉的SiC或藍(lán)寶石襯底上淀積10～30μm的電絕緣AlN層。主要用作低缺陷電絕緣襯底，用于制作高功率的AlGaN基HEMT。目前已經(jīng)有2、3、4、6英寸產(chǎn)品。日本的AlN技術(shù)研究單位主要有東京農(nóng)工大學(xué)、三重大學(xué)、NGK公司、名城大學(xué)等，已經(jīng)取得了一定成果，但還沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。另外俄羅斯的約菲所、瑞典的林雪平大學(xué)在HVPE法生長AlN方面也有一定的研究水平,俄羅斯Nitride Crystal公司也已經(jīng)研制出直徑達(dá)到15mm的PVT AlN單晶樣品。在國內(nèi)，AlN方面的研究較國外明顯滯后，一些科研單位在AlN MOCVD外延生長方面，也有了初步的探索，但都沒有明顯的突破及成果。

1.4 其它寬禁帶半導(dǎo)體材料

1.4.1 金剛石

金剛石是碳結(jié)晶為立方晶體結(jié)構(gòu)的一種材料。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)碳原子以“強(qiáng)有力”的剛性化學(xué)鍵與相鄰的4個(gè)碳原子相連并組成一個(gè)四面體。金剛石晶體中，碳原子半徑小，因而其單位體積鍵能很大，使它比其他材料硬度都高，是已知材料中硬度最高(維氏硬度可達(dá)10400 kg/mm2)。另外，金剛石材料還具有禁帶寬度大(5.5 eV)；熱導(dǎo)率高，最高達(dá)120 W/cm·K(-190 ℃)，一般可達(dá) 20 W/cm.K(20 ℃)；傳聲速度最高，介電常數(shù)小，介電強(qiáng)度高等特點(diǎn)[17]。金剛石集力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、耐蝕等優(yōu)異性能于一身，是目前最有發(fā)展前途的半導(dǎo)體材料。

依據(jù)金剛石優(yōu)良的特性，應(yīng)用十分廣泛，除傳統(tǒng)的用于工具材料外，還可用于微電子、光電子、聲學(xué)、傳感等電子器件領(lǐng)域。其在電子領(lǐng)域的典型應(yīng)用[18]：

(1)在微電子方面的應(yīng)用。金剛石的禁帶寬度大，以及優(yōu)異的電學(xué)特性，使其更適合于極惡劣的環(huán)境中應(yīng)用[19]。據(jù)報(bào)道：金剛石肖特基二極管工作溫度可達(dá)到1000℃；在人工低溫低壓合成的多晶金剛石制作的MISFET，它的fT可以達(dá)到2.7 GHz,最高振蕩頻率(f max)為3.8 GHz；高壓合成金剛石制作的MESFET的fT可以達(dá)到2.2 GHz，f max為7 GHz；日本電報(bào)電話公司(NTT)已經(jīng)開發(fā)出一種工作頻率為81 GHz、運(yùn)行速度高于其他半導(dǎo)體器件2倍的金剛石半導(dǎo)體器件，NTT正致力于研發(fā)工作頻率達(dá)到200 GHz，輸出功率為30 W/mm的金剛石器件。

可以預(yù)見，只要突破高質(zhì)量、大面積、單晶膜的金剛石制備技術(shù)，金剛石半導(dǎo)體器件和集成電路因其優(yōu)越的性能將在Si、SiC和GaN半導(dǎo)體器件和集成電路難以適用的環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。

(2)在光電子方面的應(yīng)用。金剛石在X射線—紫外光—可見光—紅外光很寬的波長范圍內(nèi)都具有高透過性且能抗高溫、抗腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度大，因此可用作在惡劣環(huán)境中使用的光學(xué)窗口等，如多色紅外探測器窗口、紅外焦平面陣列熱成像裝置窗口、高功率微波窗口、高功率激光窗口等；透X光特性使其可成為未來微電子器件制備的亞微米級(jí)光刻蝕技術(shù)的理想材料。

(3)其他方面的應(yīng)用。金剛石具有極高的彈性模量，這決定了聲波在金剛石中具有極高的傳播速度，可做成SAW(聲表面波)器件[20]，如表面聲波濾波器，聲頻在其中傳播速度達(dá)到17500 m/s；金剛石熱導(dǎo)率高，是半導(dǎo)體電子器件極為理想的大面積散熱材料(又稱為熱沉)；金剛石薄膜可用作電化學(xué)傳感器的電極，能工作在具有腐蝕性的環(huán)境中。

1.4.2 氧化鋅

氧化鋅（ZnO）是Ⅱ-Ⅵ族纖鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為3.37 eV[21]；另外，其激子束縛能(60 meV)比 GaN(24 meV)、ZnS(39 meV)等材料高很多，如此高的激子束縛能使它在室溫下穩(wěn)定，不易被激發(fā)(室溫下熱離化能為26 meV)，降低了室溫下的激射閾值，提高了ZnO材料的激發(fā)效率?；谶@些特點(diǎn)，ZnO材料既是一種寬禁帶半導(dǎo)體，又是一種具有優(yōu)異光電性能和壓電性能的多功能晶體。它既適合制作高效率藍(lán)色、紫外發(fā)光和探測器等光電器件，還可用于制造氣敏器件、表面聲波器件、透明大功率電子器件、發(fā)光顯示和太陽能電池的窗口材料以及變阻器、壓電轉(zhuǎn)換器等[22]。相對(duì)于GaN，ZnO制造LED、LD更具優(yōu)勢(shì)，具預(yù)計(jì)，ZnO基LED和LD的亮度將是GaN基LED和LD的10倍，而價(jià)格和能耗則只有后者的1/10。

ZnO材料以其優(yōu)越的特性被廣泛應(yīng)用，受到各國極大關(guān)注。日、美、韓等發(fā)達(dá)國家已投入巨資支持ZnO材料的研究與發(fā)展，掀起世界ZnO研究熱潮。據(jù)報(bào)道，日本已生長出直徑達(dá)2英寸的高質(zhì)量ZnO單晶；我國有采用CVT法已生長出了直徑32mm和直徑45mm、4mm厚的ZnO單晶。材料技術(shù)的進(jìn)步同時(shí)引導(dǎo)和推進(jìn)器件技術(shù)的進(jìn)步，日本研制出基于ZnO同質(zhì)PN結(jié)的電致發(fā)光LED；我國也成功制備出國際首個(gè)同質(zhì)ZnO－LED原型器件，實(shí)現(xiàn)了室溫下電注入發(fā)光。器件制備技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)ZnO半導(dǎo)體材料實(shí)用化進(jìn)程，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)上將有很重要的應(yīng)用，前景無限[23]。

2 寬禁帶半導(dǎo)體材料的主要應(yīng)用

在寬禁帶技術(shù)中，材料技術(shù)的研發(fā)是基礎(chǔ)，加強(qiáng)應(yīng)用提高系統(tǒng)性能才是目的。目前世界各國都在加強(qiáng)寬禁帶技術(shù)的研發(fā)力度。最有代表性的是美國，2002年美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局 (DARPA)實(shí)施了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃(WBGSTI)[11]，第一階段2～4英寸材料SiC襯底材料商品化，已實(shí)施成功；第二階段為射頻應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體計(jì)劃，目的是利用寬禁帶半導(dǎo)體材料制作并演示射頻功率放大器，提高其功率附加效率、帶寬及功率密度最終實(shí)現(xiàn)GaN基高可靠、高性能微波與毫米波器件的大批量生產(chǎn)；第三階段，研制成功GaN基高可靠、高性能MMIC，并在若干模塊中試驗(yàn)其應(yīng)用。在此計(jì)劃的實(shí)施下，推動(dòng)寬禁帶技術(shù)的發(fā)展。

2.1 碳化硅器件與電路

2.1.1 碳化硅MESFET器件

近年來，許多研究機(jī)構(gòu)均在4H-SiC MESFET器件工藝改進(jìn)和性能提高方面開展了大量工作，碳化硅MESFET器件性能參數(shù)取得了很大進(jìn)展：擊穿電壓普遍在100 V以上[24]，最大電流密度為175～520 mA/mm，跨導(dǎo)為 20～70 ms/mm，功率密度為0.85～4.4 W/mm，最大振蕩頻率高達(dá)40 GHz。碳化硅MESFET以其優(yōu)異的性能將在新一代相控陣?yán)走_(dá)、大功率通信基站等方面得到廣泛應(yīng)用[25]。

2.1.2 MOSFET器件

MOSFET器件具有高速低功耗的特性，非常適用于大功率領(lǐng)域。隨著外延工藝的進(jìn)展及器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，SiCMOSFET的特性有了很大提高。Baliga證明，按照以往Si器件的定義標(biāo)準(zhǔn)，6H-SiC功率MOSFET的性能比Si器件高13倍。Cree公司研制的10kV功率MOSFET，漏電流密度只有16 mA/cm2，是目前國際上耐壓較高的SiC器件[26]。

2.1.3 碳化硅SIT

SIT是用PN結(jié)或肖特基作為柵極的一種單極器件。近年來，SiC SIT除了表現(xiàn)出良好的功率特性外，也實(shí)現(xiàn)了較好的頻率特性。J.P.Henning等人報(bào)道了采用多對(duì)準(zhǔn)工藝制備的微波SiC SIT，并采用了空氣橋結(jié)構(gòu)的柵極來降低寄生電容。該器件的fT高達(dá)7 GHz，漏極擊穿電壓達(dá)到130 V，漏壓為10 V時(shí)的膝電流為150 mA/mm，跨導(dǎo)為17 ms/mm[27]。

2.2 氮化鎵器件與電路

2.2.1 GaN基HEMT器件

1993年第一只GaN HEMT問世[28]，成為GaN功率器件中最為引人注目的器件，其具有優(yōu)異的微波功率特性，單位毫米柵寬輸出功率理論上可達(dá)到幾十瓦。近年來，該器件得到飛速發(fā)展[29]，高功率GaN HEMT放大器頻率為2.8 GHz時(shí)輸出功率100 W，58%的高效率；輸出功率為40 dBm和50 dBm的輸出波形頂部分別為0.4 dB和0.2 dB。GaN基HEMT器件在千瓦級(jí)功率轉(zhuǎn)換中具有高速大功率開關(guān)特性，最大開關(guān)電流為23 A。

2.2.2 GaN基高亮度LED

GaN材料的禁帶寬度Eg為3.39 eV，InN的禁帶寬度Eg為1.95 eV。因此，只要調(diào)節(jié)固溶體Inx-Ga1-xN的混晶比x值的大小，就可以得到禁帶寬度從1.95 eV到3.39 eV變化的連續(xù)混合晶體發(fā)光材料。1.95～3.39 eV（636.6～365 nm）這個(gè)范圍覆蓋了整個(gè)可見光光譜。利用GaN材料的特性，能夠制備GaN基藍(lán)光LED、白光LED等[29]，可實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三色基完備的發(fā)光體系，拓寬了發(fā)光光譜，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。

2.2.3 GaN基光電探測器

AlGaN基光電探測器在軍事和民品的通信和成像領(lǐng)域具有很高的價(jià)值，1992年，Khan等人第一次研制報(bào)道了GaN基的紫外探測器，從而開始了AlGaN基紫外光電探測器的研究。據(jù)報(bào)道，目前已研制出多種結(jié)構(gòu)的AlGaN光電探測器，如光電導(dǎo)探測器，MSM探測器，肖特基探測器，PN結(jié)光電探測器，PIN結(jié)構(gòu)光電探測器等。美國已研制出垂直結(jié)構(gòu)的AlGaN/GaN多量子阱肖特基探測器，采用背入方式在325～350nm波長范圍得到平直的峰值光譜響應(yīng)為0.054 A/W；隨著P型摻雜及金屬接觸等關(guān)鍵技術(shù)的研究，AlGaN PIN光電探測器性能有了很大提高，其工作范圍逐漸從可見光盲區(qū)過渡到“太陽盲區(qū)”。

2.3 氧化鋅器件

2.3.1 壓電器件

ZnO具有優(yōu)良的壓電性能[30,31]，適合于制備體聲波(BAW)尤其是表面波(SAW)器件。陳運(yùn)祥等人在激勵(lì)剪切模式C軸方向傾斜取向ZnO薄膜的基礎(chǔ)上采用垂直、傾斜交替的多層ZnO薄膜，制作出了中心頻率為8 GHz的BAW延遲線；日本在藍(lán)寶石襯底上外延ZnO薄膜制作出了低損耗的1.5 GHz的高頻SAW濾波器。隨著數(shù)字傳輸和移動(dòng)通信信息傳輸量的增大，ZnO的高頻特性逐漸顯示其優(yōu)勢(shì)，因此，ZnO薄膜在高頻濾波器、諧振器、光波導(dǎo)等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

2.3.2 壓敏器件

ZnO因其非線性系數(shù)高、電涌吸收能力強(qiáng)，在電子電路等系統(tǒng)中被廣泛用來穩(wěn)定電流，抑制電涌及消除電火花。通常采用燒結(jié)成瓷、劃片所作的壓敏電阻，因工藝限制壓敏低壓很難做到很低，采用ZnO薄膜便可做到[32]。賈銳等人用噴霧熱分解法在350℃下合成了ZnO:BizO3:MnO2=99:0.5:0.5的薄膜，薄膜具有C軸取向，壓敏電壓為13.15 V，非線性吸收α=8.09[33]。

3 結(jié)語

寬禁帶半導(dǎo)體材料作為一類新型材料，具有獨(dú)特的電、光、聲等特性，其制備的器件具有優(yōu)異的性能，在眾多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它能夠提高功率器件工作溫度極限，使其在更惡劣的環(huán)境下工作；能夠提高器件的功率和效率，提高裝備性能；能夠拓寬發(fā)光光譜，實(shí)現(xiàn)全彩顯示。隨著寬禁帶技術(shù)的進(jìn)步，材料工藝與器件工藝的逐步成熟，其重要性將逐漸顯現(xiàn)，在高端領(lǐng)域?qū)⒅鸩饺〈谝淮?、第二代半?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

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