一、碳化硅的前世今生

碳化硅由于化學(xué)性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提高鋼的質(zhì)量。此外，碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。

碳化硅的硬度很大，莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。

碳化硅歷程表

1905年第一次在隕石中發(fā)現(xiàn)碳化硅。

1907年第一只碳化硅晶體發(fā)光二極管誕生。

1955年理論和技術(shù)上重大突破，LELY提出生長高品質(zhì)碳化概念，從此將SiC作為重要的電子材料。

1958年在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。

1978年六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯(lián)進(jìn)行研究。到1978年首次采用“LELY改進(jìn)技術(shù)”的晶粒提純生長方法，

1987年～至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產(chǎn)線，供應(yīng)商開始提供商品化的碳化硅基。

2001年德國Infineon公司推出SiC二極管產(chǎn)品，美國Cree和意法半導(dǎo)體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產(chǎn)品。在日本，羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產(chǎn)了SiC二極管。

2013年9月29日，碳化硅半導(dǎo)體國際學(xué)會“ICSCRM2013”召開，24個國家的半導(dǎo)體企業(yè)、科研院校等136家單位與會，人數(shù)達(dá)到794人次，為歷年來之最。國際知名的半導(dǎo)體器件廠商，如科銳、三菱、羅姆、英飛凌、飛兆等在會議上均展示出了最新量產(chǎn)化的碳化硅器件。

到現(xiàn)在已經(jīng)有很多廠商生產(chǎn)碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。

二、碳化硅器件的優(yōu)勢特性

碳化硅（SiC）是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國對SiC的研究非常重視，紛紛投入大量的人力物力積極發(fā)展，美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃，而且一些國際電子業(yè)巨頭也都投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。

與普通硅相比，采用碳化硅的元器件有如下特性：

1、高壓特性

碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍，碳化硅肖特基管耐壓可達(dá)2400V。碳化硅場效應(yīng)管耐壓可達(dá)數(shù)萬伏，且通態(tài)電阻并不很大。

2、高頻特性

3、高溫特性

在Si材料已經(jīng)接近理論性能極限的今天，SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性，一直被視為“理想器件”而備受期待。然而，相對于以往的Si材質(zhì)器件，SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求，將成為SiC功率器件能否真正普及的關(guān)鍵。

目前，低功耗的碳化硅器件已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了實(shí)用器件生產(chǎn)階段。目前碳化硅圓片的價格還較高，其缺陷也多。

三、最受關(guān)注的碳化硅MOS

SiC-MOSFET是碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。

碳化硅MOS的結(jié)構(gòu)碳化硅MOSFET（SiC MOSFET）N+源區(qū)和P井摻雜都是采用離子注入的方式，在1700℃溫度中進(jìn)行退火激活。另一個關(guān)鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在，需要非常特殊的柵介質(zhì)生長方法。其溝槽星結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢如下：

平面vs溝槽

SiC-MOSFET采用溝槽結(jié)構(gòu)可最大限度地發(fā)揮SiC的特性

碳化硅MOS的優(yōu)勢

硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制，高壓高頻的硅器件無法實(shí)現(xiàn)。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍，同時具備單極型器件的卓越開關(guān)性能。相比于硅IGBT，碳化硅MOSFET在開關(guān)電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關(guān)損耗和更高的工作頻率。

20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半，50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優(yōu)勢。

碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復(fù)時間trr和反向恢復(fù)電荷Qrr。同一額定電流900V的器件，碳化硅MOSFET寄生二極管反向電荷只有同等電壓規(guī)格硅基MOSFET的5%。對于橋式電來說（特別當(dāng)LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候），這個指標(biāo)非常關(guān)鍵，它可以減小死區(qū)時間以及體二極管的反向恢復(fù)帶來的損耗和噪音，便于提高開關(guān)工作頻率。

碳化硅MOS管的應(yīng)用

碳化硅MOSFET模塊在光伏、風(fēng)電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統(tǒng)應(yīng)用上具有巨大的優(yōu)勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優(yōu)勢，可以突破現(xiàn)有電動汽車電機(jī)設(shè)計上因器件性能而受到的限制，這是目前國內(nèi)外電動汽車電機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)。如電裝和豐田合作開發(fā)的混合電動汽車（HEV）、純電動汽車（EV）內(nèi)功率控制單元（PCU），使用碳化硅MOSFET模塊，體積比減小到1/5。三菱開發(fā)的EV馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，使用SiCMOSFET模塊，功率驅(qū)動模塊集成到了電機(jī)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化目標(biāo)。預(yù)計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外的電動汽車上。

四、碳化硅肖特二極管

1、碳化硅肖特基二極結(jié)構(gòu)

碳化硅肖特基二極管（SiCSBD）的器件采用了結(jié)勢壘肖特基二極管結(jié)構(gòu)（JBS），可以有效降低反向漏電流，具備更好的耐高壓能力。

2、碳化硅肖特基二極管優(yōu)勢

碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件，因此相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（SiFRD），碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復(fù)特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)時間小于20ns，甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復(fù)時間在10ns以內(nèi)。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。另一個重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

概括碳化硅肖特基二極管的主要優(yōu)勢，有如下特點(diǎn)：

幾乎無開關(guān)損耗

更高的開關(guān)頻率

更高的效率

更高的工作溫度

正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作

開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)

碳化硅肖特基二極管的應(yīng)用

碳化硅肖特基二極管可廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、功率因素校正（PFC）電路、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器等中高功率領(lǐng)域，可顯著的減少電路的損耗，提高電路的工作頻率。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD，可使電路工作在300kHz以上，效率基本保持不變，而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高，電感等無源原件的體積相應(yīng)下降，整個電路板的體積下降30%以上。

五、人們是如何評價碳化硅的？

幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅：

碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍（寬禁帶），達(dá)到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強(qiáng)為硅的5.3倍，高達(dá)3.2MV/cm.其導(dǎo)熱率是硅的3.3倍，為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應(yīng)晶體管，與相同耐壓的硅器件相比，其漂移電阻區(qū)的厚度薄了一個數(shù)量級。其雜質(zhì)濃度可為硅的2個數(shù)量級。由此，碳化硅器件的單位面積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發(fā)熱量極低。這有助于減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外，碳化硅半導(dǎo)體還有的固有的強(qiáng)抗輻射能力。

近年利用碳化硅材料制作的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）等功率器件，已可采用少子注入等工藝，使其通態(tài)阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發(fā)熱量小，因而碳化硅器件的導(dǎo)熱性能極優(yōu)。還有，碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。

六、目前碳化硅器件發(fā)展情況如何？

1，技術(shù)參數(shù)：舉例來說，肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上，芯片面積小了，但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃，離介紹能達(dá)600℃相差很遠(yuǎn)。壓降更不盡人意，與硅材料沒有差別，高的正向壓降要達(dá)到2V。

2，市場價格：約為硅材料制造的5到6倍。

七、碳化硅（SiC）器件發(fā)展中的難題在哪里？

綜合各種報道，難題不在芯片的原理設(shè)計，特別是芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計解決好并不難。難在實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝。

舉例如下：

1，碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷，在碳化硅晶體生長技術(shù)發(fā)展到能徹底消除微管缺陷之前，大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優(yōu)質(zhì)晶片的微管密度已達(dá)到不超過15cm-2的水平。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體，微管密度低于0.5cm-2。

2，外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

3，摻雜工藝有特殊要求。如用擴(kuò)散方法進(jìn)行慘雜，碳化硅擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用，而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩(wěn)定，因此不宜采用擴(kuò)散法摻雜，而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質(zhì)使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多，注入對晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前，p型離子注入的問題還比較多，從雜質(zhì)選擇到退火溫度的一系列工藝參數(shù)都還需要優(yōu)化。

4，歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項(xiàng)工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極，要求接觸電阻低于10-5Ωcm2，電極材料用Ni和Al可以達(dá)到，但在100℃以上時熱穩(wěn)定性較差。采用Al/Ni/W/Au復(fù)合電極可以把熱穩(wěn)定性提高到600℃、100h，不過其接觸比電阻高達(dá)10-3Ωcm2。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。

5，配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作，但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如，電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。

以上僅舉數(shù)例，不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法，如碳化硅半導(dǎo)體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態(tài)對碳化硅MOSFET器件的長期穩(wěn)定性影響方面，行業(yè)中還有沒有達(dá)成一致的結(jié)論等，大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發(fā)展。

八、為什么SiC器件還不能普及？

早在20世紀(jì)60年代，碳化硅器件的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)為人們所熟知。之所以目前尚未推廣普及，是因?yàn)榇嬖谥S多包括制造在內(nèi)的許多技術(shù)問題。直到現(xiàn)在SiC材料的工業(yè)應(yīng)用主要是作為磨料（金剛砂）使用。

SiC在能夠控制的壓力范圍內(nèi)不會融化，而是在約2500℃的升華點(diǎn)上直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。所以SiC單晶的生長只能從氣相開始，這個過程比SiC的生長要復(fù)雜的多，Si在大約1400℃左右就會熔化。使SiC技術(shù)不能取得商業(yè)成功的主要障礙是缺少一種合適的用于工業(yè)化生產(chǎn)功率半導(dǎo)體器件的襯底材料。對Si的情況，單晶襯底經(jīng)常指硅片（wafer），它是從事生產(chǎn)的前提和保證。一種生長大面積SiC襯底的方法以在20世紀(jì)70年代末研制成功。但是用改進(jìn)的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。

只要一根微管穿過高壓PN結(jié)就會破壞PN結(jié)阻斷電壓的能力，在過去三年中，這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根。除了這種改進(jìn)外，當(dāng)器件的最大尺寸被限制在幾個平方毫米時，生產(chǎn)成品率可能在大于百分之幾，這樣每個器件的最大額定電流為幾個安培。因此在SiC功率器件取得商業(yè)化成功之前需要對SiC的襯底材料作更大技術(shù)改進(jìn)。

SIC工業(yè)生產(chǎn)的晶片和最佳晶片的微管密度的進(jìn)展

上圖看出，現(xiàn)在SIC材料，光電子器件已滿足要求，已經(jīng)不受材料質(zhì)量影響，器件的工業(yè)生產(chǎn)成品率，可靠性等性能也符合要求。高頻器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二極管內(nèi)的單極器件。SiC材料的微管缺陷密度基本達(dá)到要求，僅對成品率還有一定影響。高壓大功率器件用SiC材料大約還要二年的時間，進(jìn)一步改善材料缺陷密度。總之不論現(xiàn)在存在什么困難，半導(dǎo)體如何發(fā)展，SiC無疑是新世紀(jì)一種充滿希望的材料。

史上最全第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展介紹（附世界各國研究概況解析）

第3代半導(dǎo)體是指以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、金剛石、氧化鋅（ZnO）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料，各類半導(dǎo)體材料的帶隙能比較見表1。與傳統(tǒng)的第1代、第2代半導(dǎo)體材料硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，第3代半導(dǎo)體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小等獨(dú)特的性能，使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現(xiàn)出巨大的潛力，是世界各國半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

目前，第3代半導(dǎo)體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術(shù)的革命，無論是照明、家用電器、消費(fèi)電子設(shè)備、新能源汽車、智能電網(wǎng)、還是軍工用品，都對這種高性能的半導(dǎo)體材料有著極大的需求。根據(jù)第3代半導(dǎo)體的發(fā)展情況，其主要應(yīng)用為半導(dǎo)體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)成熟度各不相同。

第3代半導(dǎo)體各應(yīng)用領(lǐng)域示意圖

九、第三代半導(dǎo)體材料

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：3.2eV）、高擊穿電場（4×106V/cm）、高熱導(dǎo)率（4.9W/cm.k）等特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上講，SiC材料屬硅碳原子對密排結(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。對于碳化硅密排結(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。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。

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、DowDcorning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。

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)，它在一個元胞中有4個原子，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，寬帶隙（3.39eV）、高擊穿電壓（3×106V/cm）、高電子遷移率（室溫1000cm2/V·s）、高異質(zhì)結(jié)面電荷密（1×1013cm-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1~110GHz范圍的高頻波段應(yīng)用，這覆蓋了移動通信、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；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、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，其中高亮度LED、藍(lán)光激光器和功率晶體是當(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（HitachiCable）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，襯底上位錯密度都達(dá)到1×106cm-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，位錯密度1×107cm-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。

3、氮化鋁材料

AlN材料是Ⅲ族氮化物，具有0.7～3.4eV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（6.2eV），高熱導(dǎo)率（3.3W/cm·K），且與AlGaN層晶格匹配、熱膨脹系數(shù)匹配都更好，所以AlN是制作先進(jìn)高功率發(fā)光器件（LED，LD）、紫外探測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。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NitrideCrystal公司也已經(jīng)研制出直徑達(dá)到15mm的PVTAlN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AlNMOCVD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。

4、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，每個碳原子以“強(qiáng)有力”的剛性化學(xué)鍵與相鄰的4個碳原子相連并組成一個四面體。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（維氏硬可達(dá)10400kg/mm2）。

另外，金剛石材料還具有禁帶寬度大（5.5eV）；熱導(dǎo)率高，最高達(dá)120W/cm·K（-190℃），一般可達(dá)20W/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)。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。

5、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3.37eV；另外，其激子束縛能（60meV）比GaN（24meV）、ZnS（39meV）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26meV），降低了室溫下的激射閾值，提高了ZnO材料的激發(fā)效率。基于這些特點(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、壓電轉(zhuǎn)換器等。相對于GaN，ZnO制造LED、LD更具優(yōu)勢，具預(yù)計，ZnO基LED和LD的亮度將是GaN基LED和LD的10倍，而價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ZnO半導(dǎo)體材料實(shí)用化進(jìn)程，由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，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。

十、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⒌诙雽?dǎo)體材料，成為電子信息產(chǎn)業(yè)的主宰。

審核編輯：郭婷