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從能帶角度看三個(gè)半導(dǎo)體材料時(shí)代

發(fā)表時(shí)間:2024-01-05
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大家都知道,第一代半導(dǎo)體材料是硅,主要解決數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲(chǔ)的問(wèn)題;第二代半導(dǎo)體是以砷化鎵為代表,它被應(yīng)用到于光纖通訊,主要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題;第三代半導(dǎo)體則是以氮化鎵為代表的一系列相關(guān)產(chǎn)品,尤其是氮化鎵,它在電和光的轉(zhuǎn)化方面性能突出。

 

之前金譽(yù)半導(dǎo)體提過(guò),第三代半導(dǎo)體材料在大功率、高溫、高頻、抗輻射的微電子領(lǐng)域,以及短波長(zhǎng)光電子領(lǐng)域,這些特點(diǎn)明顯優(yōu)于硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等第一代和第二代半導(dǎo)體材料的性能。第三代半導(dǎo)體材料正在成為搶占下一代信息技術(shù)、節(jié)能減排技術(shù)及國(guó)防安全技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn),是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。


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第三代半導(dǎo)體樹(shù)狀圖

從能帶角度看,同樣可以劃分為三個(gè)半導(dǎo)體材料時(shí)代。

第一代半導(dǎo)體材料以硅和鍺等元素半導(dǎo)體材料為代表。其典型應(yīng)用是集成電路,主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率晶體管和探測(cè)器中,在未來(lái)一段時(shí)間,硅半導(dǎo)體材料的主導(dǎo)地位仍將存在。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用,如其間接帶隙的特點(diǎn)決定了它不能獲得高的電光轉(zhuǎn)換效率。且其帶隙寬度較窄(1.12 eV)飽和電子遷移率較低(1450 cm2/V·s),不利于研制高頻和高功率電子器件。

第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵和磷化銦(InP)為代表。砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍,具有直接帶隙,故其器件相對(duì)硅器件具有高頻、高速的光電性能,公認(rèn)為是很合適的通信用半導(dǎo)體材料。同時(shí),其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛且不可替代。

然而,其禁帶寬度范圍僅涵蓋了1.35 eV(InP)~2.45 eV(AlP),只能覆蓋波長(zhǎng)506~918 nm的紅光和更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光,而無(wú)法滿(mǎn)足中短波長(zhǎng)光電器件的需要。由于第二代半導(dǎo)體材料的禁帶寬度不夠大,擊穿電場(chǎng)較低,極大的限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外由于GaAs材料的毒性可能引起環(huán)境污染問(wèn)題,對(duì)人類(lèi)健康存在潛在的威脅。

第三代半導(dǎo)體材料是指Ⅲ族氮化物(如氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)等)、碳化硅、氧化物半導(dǎo)體(如氧化鋅(ZnO)、氧化鎵(Ga2O3)、鈣鈦礦(CaTiO3)等)和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料。與前兩代半導(dǎo)體材料相比,第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大,具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)越性質(zhì),因此采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行,而且在高電壓、高頻率狀態(tài)下更為可靠,此外還能以較少的電能消耗,獲得更高的運(yùn)行能力。