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摘要
? ? ? GaN、AlGaN 和 InGaN 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍從照明和紫外線(xiàn) (UV) 技術(shù)到高功率、抗輻射、高溫、太赫茲 (THz) 和亞太赫茲電子和熱電子學(xué). 纖鋅礦（六邊形）對(duì)稱(chēng)性使這些材料與傳統(tǒng)的立方半導(dǎo)體截然不同。與纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的自發(fā)極化和壓電極化在 AlGaN/GaN、AlInN/GaN 和 AlGaN/InGaN 界面產(chǎn)生二維電子氣，其片層濃度比 Si CMOS 中的高 10 到 20 倍。高載流能力和高擊穿場(chǎng)使這些材料非常適合高功率應(yīng)用。通過(guò)改變摩爾分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)整 AlxGa1-xN 和 InxGa1-xN 的能隙會(huì)改變它們發(fā)射或吸收的光的波長(zhǎng)，并使光和紫外線(xiàn)發(fā)射器、太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器在太赫茲和紅外線(xiàn)到深紫外線(xiàn)范圍內(nèi)工作。使用 InGaN 的藍(lán)色、綠色和白色 LED 徹底改變了智能固態(tài)照明。AlGaN UV LED 用于水凈化、對(duì)抗抗生素抗性細(xì)菌和病毒，并顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品儲(chǔ)存時(shí)間。InN、ZnO 和 BN 具有與 AlN/GaN 系列競(jìng)爭(zhēng)的潛力。金剛石不僅作為記錄散熱的基材重新出現(xiàn)，而且作為可行的太赫茲探測(cè)器材料重新出現(xiàn)。WBG 技術(shù)有許多難以解決的問(wèn)題。WBG 材料中的高位錯(cuò)密度導(dǎo)致深 AlGaN UV LED 的效率低和高功率器件的可靠性問(wèn)題。
介紹
? ? ? ?硅技術(shù)正走向成熟。自從達(dá)到 20 nm 特征以來(lái)，每個(gè) Si 晶體管的成本一直在隨著特征尺寸的減小而攀升（見(jiàn)圖 1a），并且硅有望在電力電子領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位（見(jiàn)圖 1b）。電子和光子學(xué)的下一個(gè)突破將依賴(lài)于包括 WBG 半導(dǎo)體在內(nèi)的新材料。0WBG器件的現(xiàn)有和潛在應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此電力電子，包括藍(lán)光、綠光、白光和紫外線(xiàn)發(fā)射器、 固態(tài)照明 水、食品、空氣消毒、生物制劑檢測(cè)、皮膚病學(xué)、可見(jiàn)盲光電探測(cè)器33、34，大功率開(kāi)關(guān)35個(gè)大功率微波開(kāi)關(guān)， 無(wú)線(xiàn)通信電源、惡劣環(huán)境和高溫電子38,39、聲表面波40、41,42設(shè)備、聲光電子43、44、熱釋電傳感器45、46和太赫茲和亞太赫茲電子47、48、49。Nitride50,51 和 SiC52,53,54 材料和器件已經(jīng)商業(yè)化.
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寬帶隙半導(dǎo)體的材料特性
? ? ? 許多寬帶隙材料（例如 GaN 或 AlN）與硅之間的主要區(qū)別在于對(duì)稱(chēng)性。大多數(shù)寬帶隙材料具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 10），因此具有熱電特性。正如 1969 年首次指出的那樣，熱電材料中的自由載流子屏蔽了極化。在鐵電半導(dǎo)體中，這種效應(yīng)導(dǎo)致電場(chǎng)的傳播域（見(jiàn)圖 11a）。在 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，壓電和自發(fā)極化變化吸引自由電子或空穴（取決于晶體取向），從而產(chǎn)生空穴氣體的二維電子（見(jiàn)圖 11b）。
圖?略
寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)
? ? ? 外延生長(zhǎng)技術(shù)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 是決定材料質(zhì)量以及器件性能和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。圖 17 顯示了遷移增強(qiáng)型 MOCVD（MEMOCVD?，它使我們能夠?qū)⑽诲e(cuò)密度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。MEMOCVD? 技術(shù)還能夠生長(zhǎng)精確的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和 AlGaN/GaN 滲透結(jié)構(gòu)，從而允許實(shí)現(xiàn)透明的 p-用于深紫外 LED 的類(lèi)型觸點(diǎn)。
結(jié)論
? ? ? 硅技術(shù)正走向成熟，WBG 半導(dǎo)體在射頻電力電子、電力電子、亞太赫茲和太赫茲電子和傳感領(lǐng)域與硅競(jìng)爭(zhēng)。它們支持從固態(tài)照明到發(fā)射深紫外線(xiàn)輻射的光子應(yīng)用。不同的（非立方）對(duì)稱(chēng)性和相稱(chēng)的自發(fā)極化和壓電極化使寬帶隙半導(dǎo)體器件的物理特性與更傳統(tǒng)的立方半導(dǎo)體器件的物理特性非常不同。寬帶隙半導(dǎo)體的卓越材料特性有望實(shí)現(xiàn)比已實(shí)現(xiàn)的性能好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想需要更深入地了解設(shè)備物理和基于物理的材料和設(shè)備技術(shù)新方法。
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