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宽禁带半导体材料的研究进展和应用前景

引言：使用硅器件的传统集成电路大都只能工作在250℃以下，

不能满足高温、高功率以及高频等要求。目前人们已经将注意力转移

到宽禁带半导体材料上。本文着重介绍了SiC,GaN,ZnO这三种宽禁

带半导体材料

一、回顾半导体材料的发展历程

迄今为止，半导体的发展已经经历了三个阶段，第一代半导体材料是以我们

所熟知的硅和锗为主的材料，锗材料主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及

光电探测器中，但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，后来逐渐被硅器件

取代，硅材料耐高温和抗辐射性能较好，硅材料制造的半导体器件，稳定性和可

靠性很高。第二代半导体则是以砷化镓、磷化铟为代表的化合物半导体，GaAs、

InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微

波、毫米波器件以及发光器件的优良材料，被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、

光通信、GPS导航等领域。对微电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问题和

二十一世纪发展趋势是人们关心的问题。高速仍然是微电子的追求目标，高温大

功率还是没有很好地解决问题；光电子的主要发展趋势是全光谱的发光器件，特

别是短波长(绿光、蓝光、以至紫外波段)LED和LD。光电集成(OEIC)是人们长期

追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的实现。事实上，这些问题

是第一代和第二代半导体材料本身性质决定的，不可能解决的问题。它需要寻找

一种高性能的宽禁带半导体材料，于是第三代半导体材料——宽禁带半导体材料

走向了舞台。

新兴的第三代半导体材料，以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝为

代表，和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有很宽的禁带宽

度，通常大于或等于2.3eV，还具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和

速率，低的介电常数以及更高的抗辐射能力，因此更适合于制作高温、高频、高

功率、抗辐射以及高密度集成的抗辐射器件，也被称为高温半导体材料。

二、碳化硅SiC的最近进展和应用前景

单从技术方面来看，碳化硅材料是目前研究的最成熟的宽禁带半导体材料，

SiC具有独特的物理性质和电学性质，是实现高温与高功率、高频、抗辐射相结

合器件的理想材料。

（1）SiC结构特点

SiC的基本结构单元是Si-C四面体，属于密堆积结构，不同的SiC多型体在

半导体特性方面表现出各自的特性，利用SiC这一特点可以制作SiC不同多型体

间晶格完全匹配的易质复合结构和超晶格，从而获得性能极佳的器件。SiC具有

非常高的热稳定性和化学稳定性，在任何合理的温度下，其体内的杂志扩散都几

乎不存在。室温下，它能抵抗任何已知的酸性蚀刻剂，这些性质使得SiC器件可

以在高温下保持可靠性，并且能在苛刻的或腐蚀性的环境中正常工作。但同时也

因为SiC具有很高的化学和物理稳定性，导致其高温单晶生长和化学以及机械处

理都非常困难。

（2）SiC研究进展

国际上，SiC的发展至今已经经历了3个研究时期：第一是采用升华法制备

SiC单晶来开发各种器件的建设时期；第二是SiC的外延生长等基础研究时期；

第三是接近于相关领域应用要求的当前研究开发时期，而目前应用于制造器件的

SiC材料都是由薄膜制备技术生长的外延薄膜材料。不过，正因为SiC的耐恶劣

环境下的优越性是Si和GaAs等传统半导体材料所无法比拟的，可广泛应用于人

造卫星、火箭、导弹、雷达、战斗机、通讯、海洋勘探、石油钻井、汽车电子化

等军事和民用系统，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。虽然

如此，但是目前SiC器件的研究还是主要以分立器件为主，仍然处于以开发为主、

生产为辅的阶段。

（3）SiC应用前景

第一种大批量商业化生产的SiC器件，非属于SiC蓝光发光二级管不可，它

在上世纪90年代初级就已经进入了市场，而目前SiC射频功率晶体管以及SiC

MOSFET和MESFET等也已经有了相关商业产品。SiC二极管的显著特性是雪崩击

穿电场高、导通电阻小和反向恢复时间短等特性。由于SiC的击穿电场强度大约

为Si的8倍，所以SiC功率器件的特征导通电阻可以做得小到相应Si器件的

1/400，因此SiCMESFET以及JFET等高频大功率器件为近几年Si