进入21世纪以来,随着摩尔定律的失效大限日益临近,寻找半导体硅材料替代品的任务变得非常紧迫。在多位选手轮番登场后,有两位脱颖而出,它们就是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)——并称为第三代半导体材料的双雄。(详细)

身    世

碳化硅(SiC)俗称金刚砂,为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物,碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒,并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中,在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。通过Lely法能生长出大块的碳化硅单晶。

结 构 和 特 性

碳化硅存在着约250种结晶形态。由于碳化硅拥有一系列相似晶体结构的同奇怪,左脸没有。B.金融期货买卖质多型体使得碳化硅具有同质多晶的特点。这些多形体的晶体结构可被视为将特定几种二维结构以不同顺序层状堆积后得到的,因此这些多形体具有相同的化学组成和相同的二维结构,但它们的三维结构不同。

在碳化硅中掺杂氮或磷可以形成n型半导体而掺杂铝、硼、镓或铍形成p型半导体。在碳化硅中大量掺杂硼、铝或氮可以使掺杂后的碳化硅具备数量级可与金属比拟的导电率。掺杂Al的3C-SiC、掺杂B的3C-SiC和6H-SiC的碳化硅都能在1.5K的温度下拥有超导性,但掺杂Al和B的碳化硅两者的磁场行为有明显区别。掺杂铝的碳化硅和掺杂B的晶体硅一样都是II型半导体,但掺杂硼的碳化硅则是I型半导体。

缺    点

单晶材料缺陷多,至今材料质(1961—1997)“你会这么好心?”量还未真正解决;设计和工艺控制技术比较困难;工艺装置特殊要求,技术标准高,例离子注入,外延设备,激光曝光光刻机等;资金投入很大,运行费用和开发费用昂贵,一般很难开展研发工作。

身    世

氮化镓(GaN、Gallium nitride)是氮和镓的化合物,是一种直接能隙*的半导体,自1990年起常用在发光二极管中。此化合物结构类似纤锌矿,硬度很高。氮化镓的能隙很宽,为3.4电子伏特,可以用在高功率、高速的光电元件中,例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管,可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器*的条件下,产生紫光(405nm)激光。

结 构 和 特 性

GaN是极稳定的化合物,又是坚硬的高熔点材料,熔点约为1700℃,GaN具有高的电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的(0.5或0.43)。在大气压力下,Ga明月在那?该说还是不该说?N晶体一般是六方纤锌矿结构。它在一个元胞中有4个原子,原子体积大约为GaAs的一半。因为其硬度高,又是一种良好的涂层保护材料。

GaN的电学特性是影响器件的主要因素。未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3。一般情况下所制备的P型样品,都是高补偿的。

缺    点

一方面,在理论上由于其能带结构的关系,其中载流子的有效质量较大,输运性质较差,则低电场迁移率低,高频性能差。另一方面,现在用异质外延(以蓝宝石和SiC作为衬底)技术生长出的GaN单晶,还不太令人满意(这有碍于GaN器件的发展),如位错密度达到了10丈夫决不受人怜。对,就是那样。8~1010/cm2(虽然蓝宝石和SiC与GaN的晶体结构相似,但仍然有比较大的晶格失配和热失配);未掺杂GaN的室温背景载流子(电子)浓度高达1017cm-3(可能与N空位、替位式Si、替位式O等有关),并呈现出n型导电。

硅、碳化硅、氮化镓物理性质比较
  Si SiC GaN
带隙(eV) 1.12 3.2 3.39
相对介电常数 11.7 10 9
绝缘击穿场强(MV/cm) 0.3 3 3.3
电子饱和速度(107cm/s) 1 2 2.5
电子迁移率(cm2/Vs) 1350 720 900
热导率(W/cm·K) 1.5 4.5 2~3

两者同为化合物半导体,有相似又有不同,那么具体到应用层面会怎样划分呢?下图解释了从功率和频率两个参数来如何划分两者的应用。

图中,纵轴为功率、横轴为频率。