在半導體領域有一個名詞叫禁帶寬度(Band gap)，它指的是導帶與價帶之間的帶隙寬度(單位是電子伏特(ev))。衆所周知固體中電子的能量是不可以連續取值的，而是一些不連續的能帶，要導電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱爲導帶(能導電)，自由空穴存在的能帶稱爲價帶(亦能導電)。被束縛的電子要成爲自由電子或者空穴，就必須獲得足夠能量從價帶躍遷到導帶，這個能量的最小值就是禁帶寬度。半導體材料基本物理性質均與禁帶寬度相關，禁帶寬度越窄，材料的物性傾向於金屬，反之則傾向於絕緣體。

在現有半導體材料中，根據禁帶寬度不同可分爲：窄禁帶半導體材料（包含鍺、硅及GaAs等）、寬禁帶半導體材料（SiC、GaN等）及超寬禁帶半導體材料（帶隙大於3.4eV的AlGaN、金剛石、氧化鎵等）。

今天我們介紹的對象是目前處於發展萌芽期的和性能優越但目前尚未能製成體單晶的新型超寬禁帶材料（UWBG）。

UWBG：超高效的材料

超寬禁帶半導體(UWBG)的出現爲許多領域開闢了新的機遇，因爲它們具有許多優越性能。UWBG帶隙比硅(Si，帶隙1.1eV)、寬帶隙半導體 (GaN，帶隙3.4eV)和碳化硅(SiC，帶隙3.3eV)都要寬得多。其中，氧化鎵(Ga2O3)、氮化三硼(c-BN)、氮化鋁鎵(AlGaN)等材料是UWBG的典型代表。本文將對這些UWBG半導體材料在電子設計中的潛在應用進行介紹。

ＷＢＧ

在瞭解UWBG半導體之前，先回顧寬禁帶WBG半導體。WBG半導體比同等的硅器件更小、更快、更高效。而帶隙是材料的基本屬性，根據帶隙值有助於確定材料的導電性和晶體管的性能。WBG材料能夠讓器件工作在高壓、高頻和高溫條件下，而且隨着研究的深入，寬禁帶材料已經開始對功率轉換系統產生影響。

WBG設備還能在更具挑戰性的操作條件下提供更高的可靠性。在電力電子領域，WBG與Si相比具有低損耗、高效率、高開關頻率、高工作溫度、在惡劣環境下的穩健性和高擊穿電壓，應用範圍廣等諸多優勢。從工業功能，如電機驅動器和電源，到汽車和運輸系統，包括混合動力和電動汽車(HEV/EV)，光伏(PV)逆變器，鐵路和風力渦輪機都有所涉及。生產這些產品的供應商也遍佈全球:

GaN Systems

Infineon Technologies

ON Semiconductor

Qorvo

ROHM Semiconductor

STMicroelectronics

Wolfspeed/Cree

作爲行業領導者，Cree進入WBG已有段時間了，其產品組合包括MOSFET，肖特基二極管、整流器，LED燈等。 2011年，Cree推出了SiC MOSFET Z-FET™線，它具備目前業界最高的效率，同時也提升了電源開關應用的可靠性。

UWBG半導體的分類

氮化鎵鋁(AlGaN)

GaN是WBG半導體的典型代表。當鋁與氮化鎵產生反應時，AlGaN 這種UWBG半導體就誕生了，它通常在3.4eV-6.2eV範圍內。AlGaN常用於生產發光二極管(led)和激光二極管。之所以這樣使用AlGaN，是因爲它的帶隙可以使光線在大約220nm-450nm範圍內。它還被用作紫外探測器和高電子遷移率晶體管(HEMT)。

氮化鋁(AlN)

除去Ga，將AL與氧化氮進行化合，就會產生氮化鋁(AlN)，像AlGaN一樣，氮化鋁經常被用於光電產品中，比如紫外線(UV) Led燈。AlN帶隙6.1eV，導熱性能優良，化學穩定性好。它可以早較高頻率和功率下工作。

立方氮化硼(C-BN)

硼和氮的化合反應可以生成氮化硼，其中一種是立方硼氮化硼(C-BN)。C-BN的帶隙寬度爲6.4eV。這種化合物的獨特之處在於它與鑽石、純碳的性質相似，C的帶隙爲5.5 eV。自然界間，鑽石是最堅硬的材料，而C-BN不像鑽石那麼硬，但它提供更高的化學和熱穩定性水平。

氧化鎵(Ga2O3)

Ga2O3帶隙爲4.9eV，它是一種無機化合物，可以說是鎵的氧化版。Ga2O3有5種同分異構體，分別爲α、β、γ、δ、ε，這5種晶相分別有各自的特點，其中最穩定的是β-異構體，這些性質決定在不同領域具有潛在應用。它主要用於光電應用。2019年日本科學家發現α－Ga2O3禁帶寬度帶隙爲5．3 eV，優於β－Ga2O3，且還可以解決P型摻雜的難題。可惜目前國際上尚無α－Ga2O3體單晶材料被製備出來的相關報道。科學家們正在探索利用熔體生長製造大塊單晶的低成本、大直徑晶片的可能性。如能儘快攻關α－Ga2O3單晶材料的製備難關，相信未來α－Ga2O3體單晶材料有望應用於高端功率器件領域。

表1:幾種UWBG材料的帶隙特性。

氧化錫（SnO2）單晶材料

氧化錫（SnO2）是一種新型的寬禁帶半導體材料，室溫下禁帶寬度爲3.6eV。由於其具有可見光透光性好、電阻率低、物理化學性質穩定等特點，已被廣泛應用於氣敏傳感器、透明導電薄膜及光電器件等領域。

然而之前限於晶體制備技術有限，不能製備出高質量的體單晶材料，故無法開展氧化錫在電力電子器件方面的研究工作。直到近期，德國萊布尼茨晶體研究所在氧化錫（SnO2）體單晶熔體法制備技術方面取得了突破，已製備出小尺寸的氧化錫（SnO2）體單晶材料。相信此舉對氧化錫（SnO2）超寬禁帶材料的發展起到重要的推進作用。與氧化錫寬禁帶材料情況相似的還有氧化銦（In2O3）材料等等。

金剛石

金剛石，室溫下間接帶隙禁帶寬度爲5.47eV。金剛石屬立方晶系，其特殊的晶體結構和強的碳-碳鍵相互作用使其具有極高的擊穿電場、極高的功率容量、極高熱導率、低介電常數、高飽和載流子速度和遷移率、化學穩定性和發光特性。更爲重要的是其各種優越性質的綜合體現，使得金剛石成爲最有潛力的寬帶隙半導體材料，可應用於大功率電力電子器件、毫米波器件、高頻電子器件、激光器器件及量子信息傳輸等。

對電力電子的影響

WBG半導體實現了更有效和緊湊的功率轉換，並且提供了較低的歐姆損失。探索UWBG半導體材料的潛力，是爲了實現功率密度的一些未知數量級的改進，是從Si到WBG組件的轉變。UWBG半導體還提供了在不發生熱擊穿或可靠性問題的情況下切換大規模電壓的潛力。例如，AlGaN的Ron值可能比GaN低10倍。UWBG還具有:

高頻率下的高效率

低歐姆損耗

更高的可靠性

更好的品質因數FOM

爲了產生更高的變換器功率密度(瓦特/面積a3)，工程師們用性能指標(FOM)來評價。較低的FOM值意味着較低的功率損失。

UWBG的優勢

在中頻範圍(1kHz到1MHz)的高電壓下，UWBG比WBG更有優勢。由於其他影響性能的影響，在低頻率和高頻率時，這種好處就不那麼明顯了。

UWBG比WBG材料的優點是擊穿電壓隨帶隙增大而增大。使用較厚漂移區生長的UWBG半導體器件顯示較高的擊穿電壓。AlGaN器件中的高AL組合物提供更高的擊穿電壓。然而，這有一個缺點。這些高鋁能級也導致更高的電子遷移率。熱導率也有類似的問題。

UWBG還可以爲射頻(RF)設備提供優勢。AlGaN由於具有較高的臨界電場(Ec)，它比GaN產生更好的J-FOM（品質因數的一種類型）。帶隙的臨界電場的這種強尺度可以優化FOM，這爲超越現有電力電子的邊界提供了巨大的潛力。

UWBG：潛力深不可測

目前研究人員正在對基礎材料進行進一步的研究。他們正在尋找如何有效地增長大塊和外延UWBG半導體。以確定在優化摻雜工藝和表徵材料的同時，減少潛在缺陷。特別是隨着Al含量的增加，p型摻雜產生了挑戰。

從理論上講，熱活化孔對於高鋁合金並不可行。在物理學中，實驗一直與在各種電子場條件下有效支持電子輸運的最佳方式有關。光學特性和電擊穿給物理學家們帶來了新的挑戰，他們試圖加以利用。但考慮到設備架構、封裝、製造和加工都需要將產品商業化。每個邊緣終端對於防止過早擊穿都很重要。爲此，研究人員正在收集可以證明UWBG有益的應用信息。

結論

UWBG代表了下一代超高性能的高功率電子產品。它憑藉着更高的禁帶寬度、熱導率以及相對穩定性等特點，在新一代深紫外光電器件、高壓大功率電力電子器件、射頻器件等國防科技及重大關鍵應用領域具有顯著的優勢和巨大的發展潛力。與此同時，世界上很多國家已經把UWBG材料作爲寬禁帶半導體的重要組成部分，將其相關研究列入重點發展計劃。

美國從2002年開始啓動“半導體紫外光光源”研究計劃，投資4500萬美元，主要任務是研究AlN等寬禁帶化合物半導體晶體的生長技術及其在發光器件方面的應用。日本於2004年也相應地啓動了“高效率紫外發光半導體”研究計劃，投資2.5億日元。2013年，美國奧巴馬政府宣佈成立“清潔能源製造創新學院”，該學院重點聚焦“寬禁帶半導體電力電子器件”技術的研究和發展，以生產成本更低、性能更好的電子產品，滿足未來的電力需求。

我國科學技術部於2015年通過國家重點研發計劃對寬禁帶半導體材料和襯底的研究給予近3000萬元的資助，提升國內寬禁帶半導體材料和器件的水平。2018年國家重點研發計劃“戰略先進電子材料”專項中佈局了“第3代半導體材料與半導體照明”方向，其中包含超寬禁帶半導體材料。

可以看出，研究人員們在不斷了解UWBG在未來電子設計中的潛在優勢和應用時，創新將繼續激發新的進步，這也有望幫助設計師超越當前限制。隨着科學家和設計師開發工藝改進，我們期待着能夠將UWBG半導體的優越性能納入到設計中去。

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