半导体论文

新型材料的半导体性能研究

提要：

在上世纪50 年代，随着锗、硅材料作为第一代半导体的出现，以集成电路为核心的微电子工业开始逐渐发展起来，此类材料被广泛应用于集成电路中。此后的几十年时间里，电子信息产业发展壮大。进入90 年代以后，第二代半导体砷化镓、磷化铟等具有高迁移率的半导体材料逐渐出现，使得有线通讯技术迅速发展。随后在本世纪初，碳化硅，氮化镓等具有宽禁带的第三代半导体材料也相继问世，将当代的信息技术推向了更高的台阶。

关键词：

半导体氮化镓碳化硅一氧化石墨烯

正文：

随着信息、生物、航空航天、核技术等新兴高技术产业的发展和传统材料的高技术化，新材料产业蓬勃发展。当今世界上各种新材料市场规模每年已超过4000多亿元，由新材料带动而产生的新产品和新技术则是更大的市场，新材料产业成为21世纪初发展最快的高新技术产业之一。

其中笔电、手机等3C产品都需要半导体晶片，半导体的新材料研究也取得各种成果，比如：氮化镓，碳化硅，一氧化石墨烯等。

氮化镓作为第三代半导体的代表，其化学性质非常稳定，在室温下不溶于水，酸和碱，且融点高达1700℃，硬度较大。由以上基本性质就可知用氮化镓做成的材料具有耐高温，耐酸碱腐蚀和抗外力变形等优越的性能。目前，氮化镓和氮化镓基半导体材料已经成为了世界各国研究的热点。氮化镓的合成与制备方法目前对氮化镓的主要研究对象之一，单晶氮化镓薄膜和纳米氮化镓的合成方法是研究的重中之重。

半导体发光二极管和半导体激光器类似，也是一个PN结，也是利用外电源向PN结注入电子来发光的。半导体发光二极管记作LED，是由P型半导体形成的P层和N型半导体形成的N层，以及中间的由双异质结构成的有源层组成。

氮化镓单晶材料是用于氮化镓生长的最理想的LED材料，这样可以大大提高晶圆膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过

HVPE方法在其它LED材料(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现LED衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的LED材料。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为LED材料外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低；但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的材料之用受到限制。

Al2O3是用于氮化镓生长的最普遍的材料，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。

除了Al2O3材料外，目前用于氮化镓生长的材料就是SiC，它在市场上的占有率位居第二，目前还未有第三种材料用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。另外，SiC材料吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC材料优异的的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3材料上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高质量的SiC材料的厂家只有美国CREE 公司。

在硅材料上制备发光二极管是本领域中梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，晶圆生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si材料之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 材料上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅材料对光的吸收严重，LED节能灯出光效率低。

ZnO作为GaN晶圆的候选材料，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延材料的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，

ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。

美国威斯康辛大学米尔沃基分校的科学家发现了一种全新的碳基材料——一氧化石墨烯（GMO），其由碳家族的神奇材料石墨烯合成，该半导体新材料有助于碳取代硅，应用于电子设备中。石墨烯的导电、导热性能极强，远超硅和其他传统的半导体材料，而由硅制成的晶体管的大小正接近极限，科学家们认为，纳米尺度的碳材料可能是“救命稻草”，石墨烯未来有望取代硅成为电子元件材料。但因其太昂贵而无法大规模生产，目前石墨烯的应用非常有限，且迄今与石墨烯有关的材料仅以导体或绝缘体的形式而存在。

参考文献：

1、童寒轩、胡慧明、郑方庆、郑晋洁、张渊泽、马剑华的《氮化镓的合成制备及前景分析》，2011年11期《辽宁化工》。

2、孙殿照的《半导体材料的华丽家族》

3、《美研制出全新碳基半导体“一氧化石墨烯”》，国际新闻

4、高杉楠的《LED技术对照明的影响》，2003年2期《中国照明电器》

5、张克华、文东辉、袁巨龙的《高亮度LED衬底材料研究》，2009

年5期《功能材料》

6、姚雨的《氮化镓基LED芯片的制备研究》