宽禁带半导体是什么？

介绍

宽禁带半导体泛指室温下带隙宽度Eg大于等于2.3eV的半导体材料，是继GaAs、InP之后的第三代半导体材料。半导体材料的禁带宽度越大，对应电子跃迁导带能量越大，从而材料能够承受更高的温度和电压。

由于其具有禁带宽度大、抗辐射能力强、击穿电场强度好以及耐高温等特点，可以克服之前半导体的劣势，因此被广泛应用于微电子和光电子领域。利用宽禁带半导体制作而成的器件常见的有短波光电子器件、紫外光电探测器件、高温电子器件、光功率微波器件以及高场高功率电力电子器件等。

近年来，以GaN、SiC、ZnO为代表的宽禁带半导体材料是固态光源和电力电子、微波射频器件的研究重点，在半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源等领域具有广阔的应用前景，可望成为支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，进行宽禁带半导体材料的相关技术研发正在成为全球半导体产业新的战略高地。

GaN

GaN是Ⅲ-Ⅴ族半导体一种直接带隙宽禁带半导体，禁带宽度3.44eV（300K条件下）。它具有纤锌矿晶体结构，晶格常数为a=b=0.3190nm, c=0.5189nm。

GaN

氮化镓

由于具有较宽的带隙，并且GaN系列半导体材料具有化学稳定性好、耐高温、硬度大以及电离度高等诸多优势在诸多宽禁带半导体中迅速脱颖而出。

1993年，日本日亚公司和名古屋大学的科研团队实现了高质量的GaN薄膜的生长以及p型掺杂，成功构建了GaN蓝光二极管LED，并于2014年获得诺贝尔物理学奖 ^[1]^ ，开启了照明领域新世纪的大门。随着GaN在宽禁带半导体光电子器件领域大力发展，2002年，Johnson等报道了基于GaN的纳米线激光器 ^[2,3]^ ；

2013年，研究人员通过控制解理后两根GaN纳米线之间的间隔来控制两者之间的耦合，实现了低阈值单模激射纳米线激光器 ^[4]^ ，如今GaN基材料广泛应用于发光器件、场效应晶体管、紫外光探测器、微波波导、光存储器件等领域。

在众多半导体材料中，GaN是优良的光电子材料，可以实现从红外区域到紫外区域可见光全范围的光发射和三原色具备的全光固体显示。GaN具有较宽的带隙，是理想的蓝光LED材料。

但由于其生长的环境条件过高以及生长难度大，并且GaN激光器的研发仍然有很多问题，其较低的激子束缚能、较大的受激辐射阈值极大地限制了GaN在短波长激光器领域的进一步发展。此外阻碍GaN研究的困难还有缺乏晶格和热胀系数相匹配的衬底材料，一旦在衬底等关键技术领域取得突破，GaN将迈入产业化进程。

SiC

SiC是Ⅳ族半导体一种宽禁带半导体，禁带宽度3.2eV。通过对具有相对最小带隙的3C-SiC直至具有最大带隙的2H-SiC的能带结构研究发现其所有的价带-导带跃迁都有声子参与，即这类半导体都是间接带隙半导体。

由于具备的较高禁带宽度，临界击穿电压较大，因此作为功率器件时可以减少器件的数量。由于高击穿电场和高热导率，一般更多应用于高压大功率器件。

在发光器件研究领域，2014年Yin利用MoS 2 -MoO3混合纳米材料与SiC制备了SiC/MoS 2 -MoO3薄膜，以n型SiC/p型MoS 2 -MoO3异质结制成了LED器件 ^[5]^ 。在光子调控领域，证实了以SiC为基板的石墨烯半整数量子霍尔效应 ，目前应用于低维半导体磁光调制器的开发以及诸多功率器件的元件应用。由于其昂贵的价格以及技术上的多重挑战，SiC极大限制了在其他领域的发展。

SiC是基于第一代半导体的基础上改良的结果。与传统半导体Si相比较而言，SiC的带隙是传统Si的三倍左右，单位面积阻隔电压的能力大概是Si的8倍，但是加工工艺没有Si成熟，没有办法量产的代价就是SiC材料市面价格的昂贵。

此外SiC的热导率为4.9W/cm·K，大概是Si的3.3倍，这就导致了热量能更好地传导出来，可是目前仍然沿用Si的封装工艺，热设计和封装技术不成熟导致其寿命有限。从电路角度来看，高运行速度伴随更高要求的电路控制，SiC的缺陷密度远大于Si，导致采用SiC做电路元件的电流能力局限于5-10A，因此对于设计稳定电子器件而言SiC材料需要多方面的技术完善。

ZnO

ZnO是Ⅱ-Ⅵ族半导体一种直接带隙宽禁带半导体，禁带宽度3.4eV。与GaN类似，具有纤锌矿晶体结构，晶格常数为a=b=0.3253nm, c=0.5213nm。

Zn ^2+^ 和O ^2-^ 形成的具有非中心对称结构，可以将外力作用下产生的压电势与其半导体输运性能耦合，可以实现压电电子学效应和调控异质结光电响应的压电光电子学效应，ZnO及ZnMgO合金的带隙能够覆盖“日盲”波段（220～280nm），并且具有比Ⅲ族氮化物更好的抗辐射损伤能力，因此在国防上具有非常重要的应用价值；

2009年，wang课题组通过在p型GaN圆片上直接生长n型ZnO纳米线阵列制造了发紫外-蓝光的阵列ZnO/GaN异质结LED证明了压电势和在界面附近局部压电电荷能引起能带修改，导致局部偏电压有效增加 。

2013年该课题组制备了一种高效的ZnO纳米线/p-聚合物混合无机/有机紫外LED，成功建立了应变与界面载流子输运行为调控的有效联系 ，从器件构筑、性能调控等方面打开了全新的研究领域。

在发光器件研究领域，1997年D. M. Bagnall等人首次报道了在室温下得到了ZnO薄膜的光泵浦受激发射 ，2000年Hatanaka等首次报道了基于一维ZnO纳米同质结在低温条件电注入下的紫外和可见光波段的电致发光 ，2001年，美国加州大学Berkeley分校杨培东教授的课题组在《Science》上首次报道了ZnO纳米线中的紫外受激辐射结果 ，低维氧化锌端面与侧面以及随机散射形成的光学反馈具有天然的谐振腔结构特点，可以获得多模激射。

ZnO微纳米结构中的根据谐振腔形式分类产生的三种受激辐射模式也被陆陆续续发现 ^[13-15]^ ,多方面优势使得有望取代GaN材料广泛应用于新一代发光器件。

在透明导电薄膜研制方面，氧化锌可见-近红外波段透过率超过90% ，具有易刻蚀、抗辐射能力强、与光电器件工艺兼容性强等特点，使其成为代替ITO的重要候选材料。

在非线性光学领域，新加披国立大学的Sow课题组将ZnO量子点修饰在多量子阱的碳纳米管上，实现了超快的非线性光学转换 ,量子点中二次谐波的信号可以作为一种微探测的手段进行生物医学活体成像。

Andrea V. Bragas团队通过设计表面等离激元金纳米天线点阵ZnO纳米线二次谐波1700倍的增强 ^[18]^ 。如今ZnO基材料广泛应用于调制非线性光学信号的集成电路，光发射、传播、放大用于生物医学成像以及金属纳米颗粒周围局域化表面等离激元所引起的近场增强对于激光器阈值的改善。

对ZnO的研究相对于GaN和SiC而言发展有点迟缓，由于ZnO与GaN的晶格失配度较小，单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料，因此很长一段时间ZnO材料的研究方向都是如何制备更大更完美的单晶，在这方面美国和日本的制备技术相对成熟 ，由于p型掺杂结果不理想一度使得对ZnO的研究逐渐消退。

直到1997年香港和日本科学家在第23届半导体激光器国际会议上首次报道了室温光泵浦条件下ZnO微晶薄膜结构中的紫外受激辐射 ，同年5月《Science》以“Will UV Laser Beat the Blues?”为题预言了ZnO在紫外激光器领域的应用前景，认为这一材料将推动信息技术的巨大发展 。

对于半导体器件而言，本征ZnO是一种n型半导体，必须通过受主掺杂才可实现p型转变，由于ZnO存在较多本征施主缺陷，受主掺杂存在杂质补偿作用，因此p-ZnO的制备一直是研究的重点。

2005年，中国科学院上海硅酸盐研究所采用常压超声喷雾热解法，通过氮和铟共掺杂成功制备p-ZnO薄膜，其电学性能远超同期国际最好水平 ，同年A. Tsukazaki等人在反复调控的温度下制备了高质量的p-ZnO薄膜，实现了紫蓝色电致发光的p-i-n结构LED 。

制备高品质稳定的p-ZnO能够促进对电泵浦受激辐射的研究，一旦ZnO受激辐射从光致激发转化成电致激发，就能够极大地推动低维激光器以及微纳发光二极管等光电子器件的研究进程。

再者，ZnO材料由于本身存在表面缺陷，在可见光区发射出与表面缺陷相光的大量光生电子，导致源于激子复合的近带边（NBE）的发射被削弱，因此，ZnO基器件普遍存在发光强度和发光效率较低的问题，从而阻碍了相关光电性能的应用。

此外随机激光的模式结构及输出光波长无法精确控制，光路在ZnO中的无法具体确定，因此ZnO中的随机激光并不是实现紫外激光器的最理想途径，这也是一个问题。

参考文献

[1 ]Normile D. Physicists change the light bulb. Science, 2014, 346: 149-150

[2] Johnson J C, Choi H J, Knutsen K P, et al. Single gallium nitride nanowire lasers. Nature Materials, 2002,1(2): 106

[3] Pauzauskie, Peter & Sirbuly, Donald & Yang, Peidong. (2006). Semiconductor Nanowire Ring Resonator Laser. Physical review letters. 96. 143903. 10.1103/PhysRevLett.96.143903.

[4] Gao, Hanwei & Fu, Anthony & Andrews, Sean & Yang, Peidong. (2013). Cleaved-coupled nanowire lasers. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110. 10.1073/pnas.1217335110.

[5] YinZ, Zhang X, Cai Y, et al. Preparation of MoS2-MoO3, hybrid nanomaterals for light-emiting diodes.Angewandte Chemie-International Edition, 2014, 53 (46): 12560-12565.