1.2　第三代半导体材料的结构性质及应用

第三代半导体材料是一类不同于第一代半导体材料硅和锗、第二代半导体材料磷化铟和砷化镓的宽禁带半导体材料。由于第三代半导体材料宽禁带的特点，其具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优越性能，因此特别适用于制造高温、高压、大功率的半导体器件。

1.2.1　Ⅲ族氮化物半导体材料的结构性质及应用

Ⅲ族氮化物半导体材料存在三种晶体结构，分别为纤锌矿结构、闪锌矿结构和岩盐矿结构。其中，纤锌矿结构是Ⅲ族氮化物的热力学稳定结构；闪锌矿结构是一种亚稳态结构，可以稳定地存在于立方相衬底上生长的薄膜中；岩盐矿结构可以在非常高的压力下生长得到。其中纤锌矿结构的Ⅲ族氮化物由于金属和N的共价键具有更强的离子性，晶格中存在较强的压电极化效应，也就产生了晶格中所谓的极性面和非极性面。目前非极性面的材料生长是Ⅲ族氮化物材料的研究热点。同时，利用压电极化效应可以产生非常高的二维电子气（2DEG）浓度［2］，可用于制造诸如AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管等电子器件。

Ⅲ族氮化物材料是由ⅢA族元素铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）与氮（N）元素组成的包括InN、GaN、AlN、InGaN、InAlN、AlGaN、AlInGaN等合金的半导体材料。Ⅲ族氮化物材料的禁带宽度可以由InN的0.63eV到GaN的3.40eV再到AlN的6.28eV。这一禁带宽度覆盖了197～1610nm的光谱，从红外光波段跨过可见光波段，一直延伸至深紫外光波段，所以，Ⅲ族氮化物材料是发展光电子，特别是短波长光电子器件的优选材料，尤其是InGaN/GaN基蓝光和绿光LED已经在半导体照明与显示中发挥着举足轻重的作用。可以说，第三代半导体材料最重要的应用代表就是蓝光LED发射，进而引发LED白光照明。基于氮化物LEDs的半导体照明技术具有高效节能、长使用寿命、宽光谱、智能化等特点，是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命。基于氮化物LEDs光源是理想的绿色照明光源（效率高、使用寿命长、安全和性能稳定）。在半导体照明技术还未兴起之时，全球17％～20％的用电量被照明所消耗，这主要源于传统照明光源的高能耗，尤其是发光效率过低的白炽灯。采用发光二极管作为光源，理论上能耗相当于白炽灯的10％左右，荧光灯的50％。2003年6月，我国正式启动了“国家半导体照明工程”，把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。预计到2020年，我国半导体照明产业规模将超过1.6万亿元（数据来源：国家半导体照明工程研发及产业联盟）。

除了LED作为光源的应用之外，氮化物基激光器也是光电子领域的重要应用之一。氮化物蓝光激光器可以用于水下通信，绿色激光器是局域网通信和水下探测的关键光源，紫外光激光器在高密度储存、空气和水净化、精密光刻、印刷和检测、空间紫外通信（非视距传输）、化学传感等方面有很大的潜在的应用。Ⅲ族氮化物异质结构界面可形成高浓度2DEG系统，成为至今能提供最高2DEG浓度的半导体材料体系，为高性能电子器件的研制奠定了材料基础。在军事国防应用领域，GaN基微波功率器件可用于有源相控雷达、电子对抗、导弹和无线电通信等方面；在民用商业应用领域，GaN基微波功率器件可用于无线基础设施（基站）、卫星通信、有线电视和功率电子等方面。GaN基电力电子器件具备比传统器件低至近千分之一的导通电阻、高几十倍的开关速度。可以将电源的损耗降低到使用传统器件的1/10，给社会节省大量的电能［3，4］。

1.2.2　SiC半导体材料的结构性质及应用

SiC半导体材料的禁带宽度约是硅材料的3倍，临界击穿电场是硅材料的8倍，热导率是硅材料的3倍，使得SiC器件具有很高的耐压容量和电流密度［5，6］。在相同的击穿电压条件下，SiC器件的导通电阻只有Si器件的1/100～1/200，极大地降低了SiC器件的导通损耗。SiC具有优良的机械、热学、电学、物理和化学性质，是制备下一代电力电子和光电子器件的新型半导体材料之一。随着SiC单晶生长技术的不断进步，单晶直径已经达到6英寸，晶体缺陷密度不断下降。单晶生长技术的进步促进了SiC功率器件的研制，各种器件不断投放市场。目前市场可用的以SiC半导体材料为衬底的器件包括：AlGaN/GaN/SiC HEMT器件，肖特基势垒二极管（schottky barrier diode，SBD），金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）［7］等。而且从近年SiC市场井喷式发展可以预见，未来SiC单晶及相关器件在半导体市场上将占有重要的地位。

SiC半导体材料有超过170多种多型结构，最常见的有立方3C-SiC、六角4H-SiC和6H-SiC、菱方15R-SiC。这些多型结构以Si-C双原子为结构单元，由不同的堆垛方式排列而成。堆垛顺序的改变对SiC的电学性质有重要影响。SiC半导体材料具有不同的导电类型，为了满足制造不同器件的要求，需要生长半绝缘、n型和p型SiC单晶。基于SiC和GaN的高功率、高频器件需要使用半绝缘SiC衬底材料以达到低介电损耗和低器件寄生响应。n型4H-SiC常被用来制备功率器件，其电阻率是材料的重要特性，器件要求衬底的电阻率小于10mΩ·cm。p型SiC单晶衬底一般用于制备功率器件，如绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。特别是随着4H-SiC衬底尺寸不断扩大、晶体质量不断提高，外延生长设备及外延生长技术得到快速发展，适用于10kV级功率器件的4英寸100微米级外延材料和6英寸4H-SiC外延材料质量得到快速提升。4H-SiC功率器件材料包含了单极型和双极型功率器件，随着外延层中基晶面位错密度得到控制，有望实现新一代4H-SiC高压双极型功率器件的商业化。SiC功率器件替代Si器件可使功耗至少降低33.6％，在峰值功率下工作效率大于96％。因此，SiC功率器件可以使电力电子系统的功率、温度、频率和抗辐射能力倍增，效率、可靠性、体积和质量方面的性能也会大幅度改善。

1.2.3　宽禁带氧化物半导体材料的结构性质及应用

氧化物半导体材料包含了氧化锌（ZnO）、氧化镓（Ga2O3）、钙钛矿（CaTiO3）等材料。氧化物半导体作为第三代半导体的重要组成部分和Ⅲ族氮化物的补充，具有其独特的性能优势和巨大的潜力。

ZnO的禁带宽度为3.37eV，与GaN相近，其对应的发光波长也位于短波长区域。其激子结合能高达60meV，在常见的半导体材料中首屈一指，远远大于室温下的热能（26meV），因此其激子可以在室温下稳定存在。这样，ZnO可以通过激子对散射的方式实现受激发射，这种模式比其他激子结合能较小的半导体中通常采用的电子-空穴受激发射模式的阈值低两个量级以上。因此，ZnO是实现更低阈值半导体激光器富有潜力的材料。

和Ⅲ族氮化物相比，ZnO具有相当的带隙宽度、高饱和电子漂移速率和高击穿场强等优越的电子性能，是发展高温、高频、大功率微电子器件的优选材料之一。特别是纤锌矿结构的ZnO，其Zn原子和O原子的电负性相差更大，比GaN具有更强的离子性，所以具有更强的极化效应，其自发极化系数是GaN材料的近2倍。在异质结构中，材料的应变又导致极强的压电极化，从而对异质结构的能带发生调控，进而影响相关器件的性能。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，界面处可形成强量子局域化的高浓度2DEG（二维电子气），即使在不掺杂的情况下，也可感生高达1013cm-2的2DEG。

因此ZnO在高效激子型短波长发光器件、低阈值高功率激光器、紫外光探测器件、固态照明、透明显示和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。ZnO材料具有过渡金属氧化物特有的电子强关联特性，通过磁性元素掺杂形成的ZnO基稀磁半导体具有较高的居里温度，有望实现室温工作的自旋电子器件，而丰富的ZnO纳米结构已被证明在压电传感、生物检测和能源存储等领域具有重要的应用。

然而当前ZnO材料面临着p型掺杂难题。ZnO材料由于存在大量的本征缺陷以及杂质的自补偿效应，使得非掺杂的ZnO材料表现为n型导电，实现稳定、高效、低阻的p型ZnO具有较大的挑战性。目前，ZnO电注入发光器件的研究的重点是p型ZnO材料的制备。

Ga2O3是一种宽禁带半导体材料，在光电子器件方面有广阔的应用前景，包括透明导电材料、平板显示、钝化覆盖层、高温气体探测器和深紫外探测器。Ga2O3材料在功率电子器件方面也开始受到研究机构的重视；同时，Ga2O3能通过提拉法快速制备。作为衬底材料，可用来制备大功率GaN基LED；也可以利用同质外延制备新型Ga2O3基功率电子器件，是一种很有潜力的新型宽禁带半导体材料。

GaTiO3晶体结构是世界上最为常见的化合物材料结构。GaTiO3太阳能电池技术是近五年来太阳能光伏领域发展最为迅速的一种技术，也是目前GaTiO3材料光电技术应用受到高度重视的发展方向。光电转换效率（PCE）不断攀升，发展速度如此迅速，得益于GaTiO3材料本身的优越特性：优良的光学参数、能带可调控、载流子的双极输运、高迁移率、长使用寿命、制备方法简单多样、低成本、低能耗等。

1.2.4　半导体金刚石材料的结构性质及应用

金刚石材料是由碳原子组成的共价晶体，其通过碳原子的sp3杂化形成共价键构成正四面体的结构。金刚石在宏观上经常呈现出八面体、菱形十二面体和立方体等晶体形态。金刚石特殊的晶体结构和极强的碳—碳共价键作用使得金刚石有着优异的性能，如超强的硬度、极低的动态摩擦因数、最高的热传导率、最低的热膨胀系数和很强的化学稳定性。作为一种间接带隙的宽禁带半导体材料，其室温禁带宽度约为5.47eV，为所有元素半导体材料中带隙最宽的材料，它既可以作为有源器件材料（如场效应晶体管、电源开关），也可以作为无源器件材料应用于半导体技术领域。集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的第三代半导体材料之一，在微电子、光电子、生物医学、机械、航空航天、核能等高新技术领域中将有极其广泛的应用前景。

纯净无杂质金刚石的最杰出特性之一是其极高的热导率，是目前已知室温热导率最高的固体材料，热导率约为金属铜的5倍，具有极高的品质因数，通常品质因数由饱和载流子速度和介电强度确定。如以硅的品质因数为1作为基准，那么砷化镓的品质因数为7，磷化铟的品质因数为16，碳化硅的品质因数为1138，金刚石的品质因数为8206。由于金刚石的固有特性和天然金刚石的稀有性，其加工制造技术十分困难，尤其是制造出满足电子学和光学应用的半导体金刚石，目前尚存在许多问题，为此，需要花大力气研究它的制备技术。

金刚石的晶格常数小，杂质原子的引入容易造成晶格畸变，因此大多数外来原子很难进入金刚石的晶格中。人工和天然金刚石中最常见的杂质是氮，按照氮的含量可以将金刚石分为Ⅰ型（含氮）和Ⅱ型（少氮）。金刚石的p型掺杂杂质为硼。利用微波等离子体技术，在金刚石同质外延过程中引入硼源，人们能获得高质量的p型金刚石。金刚石的n型掺杂则要困难许多，是实现金刚石双极性器件的关键。虽然金刚石中最常见的氮杂质是施主杂质，但是能级太深，很难获得理想的n型电导。于是人们转向金刚石中能级较浅的磷杂质，并实现了理想的金刚石的p型掺杂。近几年，由于金刚石掺杂的突破，各种金刚石器件不断研制成功，包括深紫外光发光二极管、深紫外探测器、生物传感器、高压大电流肖特基二极管、高频高功率场效应晶体管等。通过比较金刚石和其他宽禁带半导体材料的功率材料品质因子（包括Johnson因子、Keyes因子和Baliga因子），可以发现金刚石的性能全面超越SiC、GaN和Si等半导体材料，具有作为高性能功率型器件的巨大潜力。