新一代宽禁带半导体材料

新一代宽禁带半导体材料

回顾半导体的发展历程，随着不同时期新材料的出现，半导体的应用先后出现了几次飞跃。

首先，硅材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展，日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的应用。

而后，砷化镓材料的研究则使半导体的应用进入光电子学领域。用砷化镓基材料及其类似的一些化合物半导体，如镓铝砷、磷镓砷、铟镓砷、磷化镓、磷化铟和磷砷化镓等，制备出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到不可替代的作用，由此也带来了VCD和多媒体等的飞速发展。

目前，人们又开始研究新一代的宽禁带半导体材料，其中最有意义的是碳化硅、氮化镓和氧化锌。这些材料的共同特点是它们的禁带宽度在3．3到3．5电子伏之间，是硅的3倍，比砷化镓的禁带宽度也大了两倍以上。由于它们的一些特殊性质和潜在应用前景使它们备受关注。

碳化硅具有高热导率（硅的3．3倍）、高击穿场强（硅的10倍）、高饱和电子漂移速率（硅的2．5倍）以及高键合能等优点。所以特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，并且可以在几百度高温的恶劣环境下工作。可用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、无干扰电子点火装置、喷气发动机传感器等重要领域。目前，碳化硅高频大功率器件已应用到军用雷达、卫星通讯和高清晰度电视图像的发送和传播等方面。

氮化镓和砷化镓同属III－V族半导体化合物，但氮化镓是III－V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光，其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短，这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积，从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比，它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上，而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值，同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点，但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结，氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力，1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能；1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结；1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管，效率达到5％，赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率，寿命超过一万小时。1997年，用氮化镓基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的势头反映了氮化镓材料受重视的程度。有人估计，氮化镓器件在化合物半导体市场的份额将由1997年的2％很快上升到2006年的20％，成为光电子产业中非常重要的产品。

与氮化镓材料相比，氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3．36eV，特别是它的激子结合能高达60毫电子伏，在目前常用的半导体材料中首屈一指，这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件；此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。1997年日本和香港科学家合作研究得到了氧化锌薄膜的近紫外受激发光，开拓了氧化锌薄膜在发光领域的应用。由于它产生的受激发射的波长比氮化镓的发射波长更短，对提高光信息的纪录密度和存取速度更加有利，而且价格便宜。目前，除了氧化锌薄膜的发光特性外，也有人发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应，显示出用它制备太阳能电

池和紫外探测器的应用潜力；此外还有人研究了氧化锌薄膜的光记录特性。虽然氧化锌的研究工作刚刚兴起，但它已成为非常活跃的热门课题。目前在我国，中国科学技术大学、复旦大学、中科院长春物理所和等离子体物理所等一些单位都相继开展了这方面的工作，正在形成氧化锌研究热潮。（中国科技网）