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设计天地 D e s i g n F i e l d 宽禁带半导体技术 W id e B a n dg a p S e m ic o n du c t or T e ch n olo gy 概述 展迅速，不仅圆片直径有所加大，而且缺陷数量与电阻 根据半导体材料禁带宽度的不同，可分为宽禁带半 率都达到了大批量生产性能优异的宽禁带器件与 导体材料与窄禁带半导体材料。若禁带宽度Eg2ev(电 MMIC(单片微波集成电路)的技术要求。此外，宽禁带 子伏特)，则称为窄禁带半导体，如锗(Ge)、硅(Si)、砷 外延结构演示结果也令人满意。例如，GaN HEMT(高 化镓(GaAs)以及磷化铟(InP)；若禁带宽度Eg＞ 电子迁移率晶体管)在2.1GHz时饱和功率输出174W， 2.0~6.0ev，则称为宽禁带半导体，如碳化硅(SiC)、氮化 PAE高达54%，其150W输出功率(2.1GHz)的线性增 镓(GaN)、4H碳化硅(4H-SiC)、6H碳化硅(6H-SiC)、氮 益为12.9dB。 化铝(AlN)以及氮化镓铝(ALGaN)等。宽禁带半导体材 料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速 技术现状 度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好 在过去的几年里，由于美国政府以及商业部门的 的化学稳定性等特点，非常适合于制作抗辐射、高频、 大力支持，宽禁带半导体技术取得迅速进展。尤其是 大功率和高密度集成的电子器件；而利用其特有的禁带 2002年美国国防先进研究计划局(DARPA)启动与实施 宽度，还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。 的宽禁带半导体技术计划(WBGSTI)，已成为加速改进 因此，美国、日本、俄罗斯等国都极其重视宽禁带半导 SiC、GaN以及AlN等宽禁带半导体材料特性的重要催 体技术的研究与开发。从目前宽禁带半导体材料和器件 化剂。 的研究情况来看，研究重点多集中于SiC和GaN技术， 在该计划第一阶段(2002~2004年)期间，市售SiC 其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；GaN技术应 基底直径已由2英寸增加到3英寸；同时，部分供应商 用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入。 正在研制4英寸SiC基底，预计2006年商品化。目前， 目前，多家半导体厂商演示了具有高功率、高功率 至少一家供应商(如Cree公司)已经建立SiC器件与 附加效率(PAE)、高增益以及较宽工作带宽的宽禁带半 MMIC圆片代工厂，并出售高功率SiC器件。表1则给 导体。这些器件工作频率范围很宽，从不足1GHz到 出利用MBE(分子束外延)以及MOCVD(金属有机化 40GHz，而且性能优异。虽然自20世纪90年代以来的 表1 WBGSTI第一阶段GaN外延生长结果 10多年时间里，SiC器件的演示结果非常喜人，但是高 性能宽禁带器件的产量一直很低。一个主要原因就是 无法得到理想的SiC基底——不但要具有足够高电阻 系数，可以提供半绝缘特性，而且严重缺陷(如微孔) 数量要足够低。由于没有高质量的基底，就无法通过 宽禁带材料的同质/异质外延生长获得制作微波与毫米 波器件所需的高度一致性、具有足够高电子迁移率的 大尺寸晶片。 值得一提的是，在过去的3年里，SiC基底研制进 88 2005.9 设计天地 D e s i g n F i e l d 合物气相沉积)技术生长的GaN外延层性能指标。同 制作出高功率、高效率X波段器件。BAE系统公司已 样，在获得可再现高电子迁移率活性层以及在材料特 经对其进行演示，不但演示了器件在微波频段具有的 性一致性方面也取得了令人满意的结果。 优异性能，还演示了毫米波器件(工作频率35 GHz，输 最近，Cree公司收购的ATMI公司在GaN基底上 出功率3.5W，PAE 22%)的制作能力。 表2 WBGSTI第二、三阶段技术目标参数 另一项成功地提高宽禁带半导体器件性能