《炬丰科技-半导体工艺》超宽带隙半导体

书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：超宽带隙半导体

编号：JFKJ-21-407

作者：炬丰科技

摘要

  超宽带隙 (UWBG) 半导体的带隙明显宽于 GaN 的 3.4 eV，代表了半导体材料、物理、器件和应用领域一个令人兴奋且具有挑战性的新研究领域。由于器件性能的许多品质因数与带隙呈非线性关系，因此人们早就知道这些半导体在高功率和 RF 电子学以及深紫外光电子学、量子信息和极端环境应用。然而，直到最近，UWBG 半导体材料，如高铝含量的 AlGaN、金刚石和 Ga2O3，才逐渐成熟，实现其一些诱人的优势是相对近期的可能性。

介绍

  现代半导体技术只有 70 年的历史，但已经改变了人类社会。这些技术的核心是半导体材料本身的物理特性：它们的基本电子和光学特性使电子、空穴和光子能够在各种设备架构和操作环境中相互作用和相互控制。

  在这个介绍性的第 1 节中，我们简要回顾了各种半导体技术所基于的材料的历史，以便将这里感兴趣的新兴超宽带隙 (UWBG) 材料置于更大的历史背景中。讨论从较窄带隙材料 Ge、Si 和 III-As 和 III-P 族开始，然后继续讨论最近的宽带隙材料 InGaN/GaN 和 SiC。然后我们介绍了本文的主题，新兴的 UWBG 材料，如 AlGaN/AlN、金刚石和 Ga2O3。

宽带隙 SiC 和 GaN：电子产品

  虽然基于 InGaN 的光电子学一直是宽带隙 (WBG) 半导体材料发展的主要驱动力，但对电子学的兴趣也很高。事实上，对于电子产品，一些适用于光电子产品的半导体材料限制已经放宽。最重要的是，带隙不需要是直接的，因此 SiC 成为一种可行的材料；并且发光效率并不重要，因此 GaN 和 AlGaN，而不仅仅是 InGaN，成为可行的材料。在 SiC 和 GaN/AlGaN 两种材料中，SiC 的历史比较悠久。

 

超宽禁带半导体

  即使 WBG 半导体材料不断成熟，更新的超宽带隙 (UWBG) 半导体材料也即将出现。这些包括 AlGaN/AlN、金刚石、Ga2O3 和立方氮化硼，也许还有其他尚未发现的。这些新材料的带隙明显宽于GaN 的 3.4 eV——在 AlN 的情况下，宽度可达 ~6.0 eV。而且，由于器件性能的许多品质因数以高度非线性的方式随着带隙的增加而变化，因此这些 UWBG 材料具有远远优于传统 WBG 材料的性能潜力。

  例如，在低频单极垂直功率开关的简单情况下，Baliga 品质因数（BFOM）[22] 被定义为 V2BR/RON-SP。这里，VBR 是击穿电压（开关在关断时可以阻断的最大电压），RON-SP 是比导通电阻（开关导通时单位面积电导的倒数）。

材料

  如第 1 节中所讨论的，直到最近，对 UWBG 材料合成和性能的控制才发展到我们可以设想实现其一些诱人优势的地步。三种材料引领潮流——AlGaN/AlN、金刚石和 Ga2O3——这些是本第 2 节中最详细讨论的材料。然而，我们强调，未来潜在兴趣的 UWBG 材料的空间超出了这些三，将在第 2.4 节和第 4.1 节的广泛材料属性表 2 中简要介绍。

  在这里，为了将这三种材料放在上下文中，表 1 显示了它们的一些物理特性以及对器件应用很重要的三个指标的最新技术：它们的基板质量大约通过位错测量/ cm2 和基材直径；它们的 n 掺杂能力；以及它们的 p 掺杂能力。一些器件即使没有所有三个指标的良好值也能满足特定应用：例如，单极多数载流子场效应晶体管 (FET) 可能具有合理的性能，而无需高衬底质量且仅使用一种类型的掺杂。

  图 2：（a）弓形衬底示意图：最初通过一维（垂直）外延在晶格不匹配或热膨胀不匹配的外来衬底或种子上生长；然后通过某种化学或物理过程从外来基质或种子中释放出来；其自然晶格常数随着弯曲而松弛。(b) 即使该弯曲的基板被抛光平整，其晶格仍然是弯曲的，结果是平台宽度从晶片的中心到边缘减小（台阶密度增加）。(c) 另一种方法可能是通过迭代晶体膨胀在天然种子上生长。（原图由北卡罗来纳州立大学的 Zlatko Sitar 和 Ramon Collazo 提供。）

单晶基板

  几乎所有成熟的半导体技术的起点都是高质量的衬底，与将在其上外延生长的感兴趣的有源半导体材料晶格匹配或几乎晶格匹配。InGaN 光电子技术的独特之处在于，尽管它们普遍使用非晶格匹配的外来衬底（例如蓝宝石和 SiC）并由此产生高 (~108/cm2) 缺陷密度，但它们还是取得了成功。 然而，即使是这些现在无处不在的 InGaN 光电子技术在使用低缺陷密度单晶 GaN 衬底时得到显着改进。尽管存在高缺陷密度，但我们不能忽视在非晶格匹配的外来衬底上开发具有类似良好性能的 AlGaN 技术的可能性。

 

  GaN 衬底是显而易见的可能性，因为它们已经被开发用于 InGaN 光电子和 GaN 电力电子技术。然而，GaN 衬底上的高质量外延生长仅限于适用于 WBG 而不是 UWBG 应用的较低 Al 含量的 AlGaN（例如，对于发射波长比 UV-A 波段中部更长的激光器，约 365 nm）。对于Al含量较高的AlGaN，外延层与GaN衬底之间的晶格失配会越来越大，当应变外延层超过其临界厚度时，会产生带有一些失配成分的穿透位错，从而显着降低器件性能。更糟糕的是，在 GaN 衬底上生长的 AlGaN 层处于拉伸应力下，容易形成扩展裂纹，从而使异质结构变得无用。

半导体材料

  自半导体诞生以来，受半导体材料从科学好奇心转变为技术相关性的唯一必要步骤。尽管取得了很大进展，但即使对于最成熟的 UWBG 半导体：AlN、金刚石和 Ga2O3，也尚未实现类似于 GaN 的 Mg 受体 p 型掺杂的突破。这部分是由于存在传统窄隙半导体中不存在的三个障碍。

  首先是大多数掺杂剂电离能随带隙增加的事实。随着电离能的增加，从束缚态到自由态被热力学“激活”的载流子比例减少，使得在室温下实现许多设备所需的 UWBG 自由载流子浓度变得困难。