第3代半导体材料在光电器件方面的发展和应用

第3代半导体材料在光电器件方面的发展和应用
作者：王军喜刘喆魏同波，等
来源：《新材料产业》 2014年第3期
文/ 王军喜刘喆魏同波王国宏中国科学院半导体研究所
一、第3代半导体材料概述
第3代半导体材料是继第1代半导体材料和第2代半导体材料之后，近20年刚刚发展起来的新型宽禁带半导体材料。

第3代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)和氮化铝（AlN）等宽禁带化合物半导体为代表，其具有高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及高抗辐射能力等特点，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，在光电子领域和微电子领域相比前2代半导体更具优势。

第1代半导体材料以硅(Si)和锗(Ge)等元素半导体为代表，其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低频、低功率晶体管和探测器中，在未来一段时间，硅半导体材料的主导地位仍不会动摇。

但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频功率器件上的应用，如其间接带隙的特点决定了它不能获得高的电光转换效率。

且其带隙宽度较窄（1.12eV），饱和电子迁移率较低（1450cm2/V·s）,不耐高温、高频和高辐射。

第2代半导体材料以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表。

砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍，具有直接带隙，故其器件相对硅器件具有高频、高速的光电性能，认为是新一代的通信用材料。

同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛且不可替代。

然而，其禁带宽度范围只涵盖了1.35eV（InP）～2.45eV（AlP），只能覆盖波长506～918nm的红色光和更长波长的光，而无法满足中短波长光电器件的需要。

由于第2代半导体材料的禁带宽度不够大，击穿强度较低，极大地限制了其在高温、高频率、高功率器件中的应用。

另外由于GaAs材料的毒性，第2代半导体的应用可能引起环境污染问题，对人类健康产生潜在的威胁。

第3代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)和氮化铝（AlN）等宽禁带化合物半导体材料为代表。

首先，在电学性能上，宽禁带半导体材料具有击穿电压高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等特性，故能实现更高的输出功率，如功率密度可达到GaAs的10倍，最高工作电压达到30～100V甚至更大，可有效提高系统效率，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

另外，在光学性能上，以氮化物体系为例，其光学禁带宽度可由0.77eV（InN）到6.28eV（AlN）连续变化，做到从红外光到紫外光波段的完整覆盖。

因而以第3代半导体为基础的光电器件理论上可以做到198～1610nm的光谱覆盖。

其典型应用是短波长激光器、白光LED和微波功率器件。

在光电子领域和微电子领域，相比前2代半导体更具优势，广泛应用于半导体照明、电力电子及航空航天等领域。

第3代半导体具有优良的物理特性，并且其科研和工业生产水平正在飞速进步。

但是问题也是显而易见的。

由于材料制备难度较高，获得高质量的单晶结构非常困难。

并且由于III族氮化物的纤锌矿结构，其材料内部存在着强大的自发极化及压电极化场。

由于III族氮化物多有较大的光折射率，产生的光在界面处易发生全反射，难以反射到空气中。

镁（Mg）掺杂的p 型GaN的功函数高达6.5eV，如何选择电极材料以制备优质的欧姆接触电极同样是一个难点。

这些因素都加大了制备高效光电器件的难度。

正因为材料性质上的巨大优势和应用上的复杂问题，第3代半导体材料的性能以及器件制
作有着巨大的研究价值。

因而后续的研究对材料性质的深入研究、器件性能的改造及优化、器
件老化机制的研究以及改进、器件应用的拓展，都是需要深入研究的领域，具有巨大的研究价
值以及重要的现实意义。

二、第3代半导体材料国内外技术现状与发展趋势
20世纪80年代中后期，日本学者在GaN材料制备方面的突破性进展，以及美国国防部先
进研究项目局（Defense AdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）资助科锐（Cree）公司开展SiC材料研究，标志着发达国家拉开了重点攻关第3代半导体材料及器件的序幕。

21世纪初，美国、日本和欧洲部分国家启动了第3代半导体技术的国家级发展计划，从而进一步巩固了其
在国际上的领先地位。

面对节能减排，当前信息社会走进大数据时代，以及移动信息时代的迫切需求，第3代半
导体材料及器件迎来了良好的发展机遇。

第3代半导体材料及器件可广泛应用于照明、电力电子、高效光伏、电动混合汽车,高速列车等节能减排领域。

第3代半导体材料也是后4G移动通信、微波通信、高速计算、微传感器、智慧城市、物联网、云计算等新一代信息技术的核心竞
争力。

特别是在航空航天、空间通讯、紫外探测、遥感等国防领域的重要应用领域（国外对我
国一直进行限制和禁运），对国家的信息安全和国防建设具有深远意义。

随着科学技术发展的高度交叉融合，微电子和光电子领域携手并进的时代即将到来。

从技
术战略与产业战略的角度，大力发展第3代半导体技术正在成为抢占下一代信息技术制高点的
最佳途径。

其研究与应用水平，是确定未来我国在世界高科技产业中地位的关键因素之一。

预
计到2020年，第3代半导体材料在节能减排市场、信息工程市场和军工市场均将占据万亿元的市场规模。

三、第3代半导体在光电器件领域的应用
1.半导体照明
半导体照明技术及其产品正向着更高光效、更低成本、更可靠、更多元化领域和更广泛应
用的方向发展。

新型衬底上外延高效率GaN-LED正是突破蓝宝石衬底外延瓶颈的发展趋势。

SiC是除了蓝
宝石之外，作为GaN外延衬底使用最多的材料。

但是，眼下SiC衬底的市场主要被Cree公司垄断，导致其市场价格远高于蓝宝石，所以SiC衬底的应用还远没有蓝宝石那样广泛。

美国Cree公司依靠其掌握的SiC晶体制备和LED外延等关键技术，逐步实现了从SiC衬底到LED外延、芯片封装、灯具设计的完整照明器件产业链，垄断了整个SiC衬底LED照明产业。

2013年，Cree公司报道的LED发光效率已经超过276lm/W。

Cree的LED照明产业的年产值达到了12亿美元，市场规模增长迅速。

由此可见，SiC衬底LED在照明产业中占据的市场规模不容
小觑，表现出很强的市场竞争力和技术竞争力。

另外，采用自支撑GaN衬底制备LED可以最大程度地降低LED外延结构的晶格失配和热失配，实现真正的同质外延，可以大幅度降低由异质外延引起的位错密度。

国际上相关报道较多
的几个研究组是美国的通用公司（GE）、加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）、佐治亚理工学院（Georgia Tech）、西弗吉尼亚大学（West Virginia）大学、以及日本的住友（Sumitomo）电工、松下（Panasonic）和三菱（Mitsubishi）等。

美国UCSB的研究人员在2012年报道自支撑GaN衬底上同质外延LED的发光效率已经超过160lm/W。

并且在较高电流密度下，光输出依然没
有饱和，且反向漏电流极低。

在高注入电流条件下，GaN同质衬底外延技术表现出蓝宝石外延
技术所没有的性能优势。

2.短波长激光器
大功率、低成本的短波长激光器一直是激光技术研究的重点和难点，而III族氮化物材料
体系的光谱特性决定其将在短波长固态激光器领域大显身手。

氮化物半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命长、易于调制等特点，有助于实现更高
的亮度、更长的寿命和更丰富的色彩。

信息科技的发展迫切需要功率密度更高、发光波长更短
的激光器。

由于绿色光在水下的损耗较小，绿光半导体激光器可用于深海光无线通信，其具有抗干扰、保密性好的优点。

蓝色和紫外光激光器由于其波长短，能量高，能实现更大的存储密度（单张
单层蓝光光盘的存储密度最少为25GB，是普通DVD光盘的5倍），在信息领域将对数据的光存
储产生革命性的影响。

近年来，绿光激光器的重点突破是基于GaN衬底的高In组分同质外延和二次外延技术，实现InGaN材料中In组分超过35%，激射波长达到510～530nm的绿光激光器。

紫外光激光器的
重要突破是AlN模板（低成本）与AlN衬底（高性能）互补结合，实现高质量、高Al组分AlGaN材料的外延制备技术，实现发光波长280～300nm，室温光泵浦发光的紫外激光器。

3.光伏电池
第3代半导体在新能源领域同样具有重要应用前景。

GaN材料体系中的InGaN（铟镓氮）太阳能电池的光学带隙可连续调节，特别适合于制作多结叠层太阳能光伏电池，实现全太阳可见
光谱能量的吸收利用，提高光伏电池的转换效率。

其理论转换效率可达70%，远远超过其他材
料体系。

同时，InGaN的抗辐射能力远强于目前常用的Si、GaAs等太阳能电池材料，更适合应
用于存在强辐射的外太空环境中，如为外太空航天器提供动力的太阳帆，因此InGaN太阳能电
池在航空航天等领域也有广泛应用。

4.其他
第3代半导体材料在光显示、光存储、光照明等领域的广泛应用，已经预示着光电信息时
代乃至光子信息时代的来临。

因此，以GaN为代表的第3代半导体材料被誉为IT产业发展的新引擎。

除此之外，第3代半导体材料在其他特殊技术领域也有着一定的应用前景。

基于GaN基可见光LED的可见光通信技术可用于航空、医院、汽车工业、交通信息管理、
办公室互联网接入、数字家庭、仓储管理和军事敏感区域的无线数据通信。

可见光通信技术的
优点包括无需频谱认证、保密性好（可见光沿直线传播，遮挡住光线就不会被窃听）、无电磁
辐射、信息容量大（利用LED照明无处不在的优势）等。

光学无线智能家居集成系统是可见光
通信技术的典型应用之一，克服了基于无线射频和电力载波通信技术的家居系统的缺点，在电
器终端接入方式方面具有划时代的意义，实现节能减排与绿色健康生活的有机结合。

基于氮化物材料的光探测器具有驱动消耗低，输出能量大的特点，可在很大程度上提高探
测器的准确性及隐蔽性，所以可以应用于军事领域。

尤其是基于高Al组分AlGaN材料的太阳盲区深紫外探测器，其利用太阳光谱中280nm以下波段紫外光由于被大气臭氧层强烈吸收而无法
到达地面，从而使得探测的深紫外光信噪比高的原理，可广泛应用于空载、舰载或地面探测预
警系统，特别是可探测来自6000km高度内的导弹尾焰，误报率极低。

四、结语
第3代半导体材料拥有前2代半导体材料所不具有的优异性能，应用前景广阔。

但是由于第3代半导体材料的发展至今只有20年左右的时间，很多技术还有待完善。

得益于国家层面的大力支持，第3代半导体技术及产业正在发达国家迅速壮大，并且已经渗透进能源、交通、信息、国防等重要领域，并有力支撑了发达国家以低能耗、绿色环保为核心理念的产业升级。

目前，阻碍第3代半导体技术大规模取代传统半导体的首要问题是成本。

前2代半导体技术多年的发展和完善，其材料成本和技术成本持续走低，相比而言，第3代半导体材料的成本依然较高。

但是，历史的经验也昭示着随着技术的完善和应用市场的推广，第3代半导体技术的成本下降是必然的。

其次问题是市场需要一定的时间（根据不同的行业，大约2～5年）去验证全新技术的可靠性。

不过，这些都是时间问题，第3代半导体产业的崛起已不存在绝对的阻碍。

10.3969/j.issn.1008-892X.2014.03.005。