第三代半导体光电应用知多少

新材料在线2021-09-12 11:01:49


文/王军喜 刘喆 魏同波 王国宏

中国科学院半导体研究所


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198~1 610nm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。


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 Advanced Research Projects Agency , 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。


第3代半导体在光电器件领域的应用

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。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、加州大学圣塔芭芭拉分校、佐治亚理工学院、西弗吉尼亚大学、以及日本的住友电工、松下和三菱等。


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,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。


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。


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。


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。


原文刊登于《新材料产业》2014年第3期。






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