第2期2009年4月
Journa l of CA EIT
V o.l 4No .2A pr .2009
元器件专题
收稿日期:2009-02-04 修订日期:2009-03-19
宽禁带半导体SiC 功率器件发展现状及展望
张 波,邓小川,张有润,李肇基
(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都 610054)
摘 要:碳化硅(Si C )是第三代半导体材料的典型代表,也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一,是高温、高频、抗辐照、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。文章结合美国国防先进研究计划局DARPA 的高功率电子器件应用宽禁带技术H PE 项目的发展,介绍了S i C 功率器件的最新进展及其面临的挑战和发展前景。同时对我国宽禁带半
导体S i C 器件的研究现状及未来的发展方向做了概述与展望。关键词:宽禁带半导体;碳化硅;功率器件
中图分类号:TN 31;TN387 文献标识码:A 文章编号:1673-5692(2009)02-111-08
R ecent Develop ment and Fut ure Pers pective of Silicon Carbi de
Po wer Devices )))Opportunity and Chall enge
Z HANG Bo ,DE NG X iao -chuan ,Z HANG You -run ,LI Zhao -ji
(State key L aboratory of E l ectronic T hi n F il m s and Integrated D ev ices ,U n i versity o f E lectron i c Sc i ence and
T echno l ogy o f China ,Chengdu 610054,Ch i na)
Abst ract :S ilicon carbide(Si C )is a typicalm ater i a l for t h e 3rd generati o n se m iconducto r .It is also one
of t h e m ostw ide l y -used and the best types o fm aterial for the producti o n o fw ide band -gap se m iconduc -to rs ,largely due to advance m ent i n crysta l gro w t h technology ,and the m aterial p s h i g h to lerance i n ter m s of te mperature ,frequency ,radioacti v ity ,and po w er outpu.t The latest develop m ent in S i C po w er dev ice ,the challenges and the f u t u re perspecti v es i n vo l v ed ,and relates the descri p ti o n to the research in the state -o-f the -art DARPA W i d e B and -gap Se m iconductor Technology (W BST )and the H i g h Power E lec -tron ics (H PE )pr ogra m are a ll descri b ed i n t h is paper .Recent advances and the future perspecti v e of S i C dev ices i n Ch i n a are also addressed .K ey w ords :w ide bandgap ;silicon car b i d e ;pow er devices
0 引 言
新型半导体材料和器件的研究与突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。以碳化硅(Si C )和氮化镓(Ga N)为代表的宽禁带半导体材料,是继以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。S i C 半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点,特别适合制作大功率、
高压、高温、抗辐照电子器件
[1,2]
。由于S i C 功率器
件可显著降低电子设备的能耗,因此S i C 功率器件也被誉为带动/新能源革命0的/绿色能源0器件。
1 美国HPE 计划相关进展
从20世纪90年代起,美国国防部(DOD,depar-t
m ent o f defense)就开始支持Si C 功率器件研究,S i C 功率器件样品相继问世。1992年,美国北卡州立大学功率半导体研究中心在全世界首次研制成功阻断电压
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400V 的6H-Si C SBD (肖特基势垒二极管)[3]
。2001年,Si C SBD 开始商业化,如美国Se m isouth 公司研制的100A 、600V 、300e 工作的S i C SBD 器件已应用于美国空军多电飞机(ME A,m ore e lectric a ircraft)。Si C SBD 构成的功率转换模块可广泛应用于高压、高温、强辐照等恶劣条件下工作的舰艇、飞机、火炮等军事设备的功率电子系统领域,以及混合动力车、燃料电池车、电动汽车等民用领域。
21世纪初,美国国防先进研究计划局(DAR-PA )启动的宽禁带半导体技术计划(W BGSTI ,w i d e bandgap se m iconductor techno logy i n itiati v e),成为加速和改善Si C 、Ga N 等宽禁带材料和器件特性的重要/催化剂0,并极大地推动了宽禁带半导体技术的发展。它同时在全球范围内引发了激烈的竞争,欧洲ESC APEE 和日本NEDO 也迅速开展了宽禁带半导体技术的研究。
著名的DARPA -W BGST I 计划包括两个阶段(Phase I 和Phase II),Phase I 为/射频/微波/毫米波应用宽禁带技术(RF WBGS,RF /m icr o w ave /m illi m eter -w ave technology)0,Phase II 为/高功率电子器件应用
宽禁带技术(HPE ,high power e lectr onics)0[4,5]
。尽管前几年Si C MESFETs 器件发展非常成熟,如C ree 公司10W 和60W 的A /AB 类放大器产品已经实用化,提供S i C MM I C 制程服务,并且已正式装备美国海军的新一代预警机E2D 。但是,最近两年Ga N 材料发展迅速,Ga N HE MT 器件正在冲击S i C MESFETs 的应用领域。两者虽然都是高压低电流功率器件,而Ga N 的工作频率和输出功率密度远高于S i C MESFETs 器件。2007年以来,C ree 等公司推出一系列(10W ~120W )Ga N H E MT 产品,并且也开始提供Ga N MM I C 产品和制程服务。从RF W BGS 计划的第二阶段(2005~2007年),DARP A 开始重点转向Ga N 基高可靠、高性能微波与毫米波器件和MM I C 电路的研究,逐步削减Si C MESFETs 器件项目,将Si C 研究重点放在HPE 计划,即在大功率、高温、强辐照等恶劣条件下工作的S i C 功率器件及电路。Cree 、APT 和Se m -i south 公司也纷纷调整相应的Si C 研究计划,2006年后新扩建厂房均以生产S i C 功率器件为主,雷达及通信用M ESFETs 器件为辅。
美国DARPA 高功率电子器件应用计划)))H PE 的目标有四个(如图1所示),即,大尺寸高质量Si C 导电衬底和轻掺杂的厚外延材料生长技术;10~20kV 的S i C 功率器件(P i N 、MOSFET 和I G BT 等)制造技术;大功率Si C 器件的测试、可靠性和封
装技术;集成S i C 功率器件模块的2.7MVA 固态功率变电站(SSPS ,so lid state po w er substati o n)技术。
图1 DARPA W B ST-H PE 计划
H PE 计划分四个阶段进行,具体时间节点如图1(b)所示。在第一阶段(2003~2004年),商品化的S i C 衬底的直径已由2i n 增加到3in 。2007年5
月份,Cree 公司推出零微管缺陷(Z MPTM,zero -m -i cropipe),直径为100mm (4i n )的N 型4H-S i C 导电衬底。第一阶段的成功实施为计划顺利进行奠定了坚实基础。第二阶段(2005~2006年)是研制S i C 大功率器件、器件封装测试及SSPS 的前期研究。第三阶段(2007~2008年)是实现高可靠、高性能S i C 功率器件的小批量生产,并完成模块的封装测试,同时要完成SSPS 的实验室样品。SSPS 主要应用于美国下一代航空母舰CVN-21的电磁弹射系统(E MLS ,electro m agnetic launch syste m )。CVN-21是第一艘配备电磁弹射系统的航母,四个电磁弹射系统均靠电力驱动,能在300ft 的距离内把飞机速度提高到160kn 。预计采用全S i C 功率器件模块将使传统低频(60H z)变压器转变为高频(20k H z)固态功率变电站,每个变压器的重量将从6t 减少为1.7,t 体积从10m 3
减少为2.7m 3
,固定的单个输出端变成多输出端接口。第四阶段在2009~2010年进行,将研制成功SSPS ,并在舰船系统中演示其应用。
DARPA 的H PE 计划对于我国S i C 功率器件及电路的发展具有非常重要的参考意义。宽禁带半导体S i C 功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为
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2009年第2期张波等:宽禁带半导体S i C功率器件发展现状及展望
国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2S i C功率半导体器件发展现状
2.1Si C功率整流器
功率整流器是功率半导体器件的重要分支,主
要包括肖特基势垒二极管(SBD,scho tt k y barrier d-i
ode),P i N二极管和结势垒肖特基二极管(JBS,j u nc-
ti o n barr i e r scho tt k y diode)。
目前,商业化的Si C整流器主要是肖特基二极管,
Cree(最大额定电流50A,最高反向击穿电压1200V)、
M icr ose m i(额定电流4A,反向击穿电压600V)和I n-
fi n eon(额定电流15A,反向击穿电压1200V)等公司
已经将Si C SBD添加到他们的产品系列中。最近几
年,许多公司已在S-i I G B T变频或逆变装置中用S i C
SB D替换Si快恢复二极管[6],显著提高了工作频率、大
幅度降低了开关损耗,总体效益远远超过S i C器件与
S i器件的价差。2003年美国Rutgers大学研制出阻断
电压10.8kV,导通电阻97m8#c m2S i C SBD二极
管[7]。日本东芝公司在2008年报道了接近4H-Si C
材料极限水平的Super-SBD,如图2所示。该器件采
用浮空结技术获得2.57m8#c m2超低导通电阻和
2.7k V阻断电压,品质因子为2837MW/c m2[8]。
图2Si C Super-SBD结构示意图
对于3kV以上的整流器应用领域,S i C P i N二
极管由于比S i Pi N具有更高的击穿电压、更快的开
关速度及更小的体积和更轻的重量而备受关注。
2000年日本的Suga w ara研究室和C ree公司研制出
12kV和19.5kV的台面型Pi N二极管[9]。对于
19.5kV的S i C P i N二极管,其正向压降为7.5V(电
流密度100A/c m2);击穿时的泄漏电流密度为
3mA/c m2;反向恢复时间小于43ns,只有商业化
6kV S i快恢复二极管的1/30。2005年C ree公司报
道了10k V,3.75V,50A(8.7mm@8.7mm2)S i C Pi N
二极管,其10k V/20A P i N二极管系列的合格率已
经达到40%,特性如图3所示[10]。
图310kV S i C Pi N二极管
在高工作频率下,Si C Pi N二极管反向恢复时能量
损耗比较大,因此既具有肖特基二极管优良开关特性,
又有接近Pi N二极管高阻断能力的S i C J BS二极管就
很有吸引力,但是由于制造工艺复杂,成品率还需要
进一步提高。2007年C ree公司报道了10kV/20A
的Si C JBS二极管(如图4所示),芯片尺寸为14.9@
10.6mm2,在3in N型4H-Si C晶圆上的合格率为
37%,10kV/5A S i C JBS的合格率超过40%[10]。
图410kV S i C J B S二极管
目前对于S i C整流器的研究,一方面是对已有
器件继续进行优化,使其能满足军事和商业应用;另
一方面继续开发更低导通压降,更小芯片面积和更
高工作温度的器件。
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2009年第2期
2.2 Si C 单极型功率晶体管
在半导体功率开关器件中,多子导电的单极型功率晶体管(MOSFET 、J FET 和S I T 等)显著地减小了开关时间,因而很容易达到100kH z 的开关频率。S iMOSFET 在高压应用时,最大缺点是导通电阻随耐压的2.5次方急剧上升,给应用带来很大困难。由于S i C 材料优良物理特性,以及与S i 类似,能够热生长出稳定氧化物的特点,所以Si C MOSFET 就具有低比导通电阻,高工作频率和高温工作稳定性的优点,在功率器件领域具有很广阔的应用前景。
目前S i C MOSFE T 发展迅速,国际上报道了多种S i C MOSFET 结构:UMOS 、VDMOS 、LDMOS (lateral double -d iffusion MOSFET )、UMOS ACCUFET (UMOS accumu l a ti o n channe l field effect transistor ),以及S I A FET (static i n duction i n j e cted accu m ulated field effect transistor )等。Se-i H yung Ryu 等人报道了
10kV ,比导通电阻为123m 8#c m 2
的4H-Si C D MOS,n -区杂质浓度和厚度分别为8@1014
c m -3
和85L m
[11]
。2007年C ree 公司报道在3i n 4H-S i C 晶圆
上制作出芯片尺寸为8.11@8.11mm 2
的10kV /20A D MOS ,在25e 下的开关速度为75ns ,已经应用在20k H z 的10kV 半H 桥的模块中
[10]
,如图5所示。
图5 10kV 4H-S i C D M OSFET
2008年日本京都大学报道了双RESURF 结构LD -MOS ,它具有1550V 阻断电压和54m 8#c m 2比导通
电阻,品质因子为44MW /c m 2(V b 2/R on )[12]
,如图6所示。作为没有肖特基接触和MOS 界面的单极器件JFET ,由于采用p-n 结栅极,因此避免了Si C MOSFE T 存在的低反型层沟道迁移率和Si O 2层可靠性低的问题。S i C JFE T 功率开关已成为Si C 单极功率器件的热点研究领域,美国Rutgers 大学报道的常关型T-i VJFE T 器件的阻断电压已达到11kV ,比导通电阻130m 8#c m 2,品质因子930MW /c m 2,如图7所示[13]。
静电感应晶体管(SI T ,stati c i n ducti o n transistors)是一种由p-n 结栅或肖特基结栅控制的多子导电器件,除了应用在微波功率器件的低频领域(UHF-
C 波段)外,还是目前市场上惟一销售的S i C 开关元件。该Si C SI T 器件耐压为1200V,导通电阻为12m 8#c m 2
。在2006年,日本研究小组成功试制出具有p +
栅极区结构的静电感应晶体管(埋栅Si C -SI T),如图8所示。器件阻断电压为700V,导通电
阻为1.01m 8#c m 2
,在耐压为600V ~1200V 的开关元件中,实现了全球最小导通电阻
[14]
。
图8 埋栅4H -S i C SIT
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2009年第2期张波等:宽禁带半导体S i C功率器件发展现状及展望
2.3Si C双极型载流子功率器件
S i C双极型载流子功率器件BJ T、GTO和I G B T也
取得了很大进展。与S i双极型晶体管相比,Si C双极
型晶体管具有低20~50倍的开关损耗及更低的导通
压降。对于Si BJ T功率器件,二次击穿现象很严重。
然而Si C BJ T功率器件由于二次击穿的临界电流密度
大约是Si的100倍,因此二次击穿已经不再是影响
BJ T性能的关键问题。同时,由于Si C临界击穿电场
大,Si C BJ T的基极和集电极可以很薄,从而提高了器
件的电流增益和开关速度。
2004年美国Rutgers大学和USC I公司联合成功
研制阻断电压9.28kV,比导通电阻49m8#c m2,电
流增益7的4H-Si C B J T,如图9所示[15]。C ree公司
报道了电流增益44,阻断电压3.2k V,比导通电阻
8.1m8#c m2的4H-S i C B J T[16]。M.Do m e ij等测试
结果显示,当击穿电压达到1100V时,Si C BJT电
流增益可以突破60,在脉冲模式下电流增益甚至超
过了90[17]。目前,S i C B J T主要分为外延发射极和
离子注入发射极BJT,典型的电流增益在10~50之
间。与MOSFET相比较,B J T的驱动电路较为复杂,
但是和JFET器件相比,其制作工艺简单。
图94H-Si C BJT
Y.Suga w ara等人报道了目前为止阻断电压最
大的GTO器件,击穿电压12.7kV,比导通电阻
35.2m8#c m2[18]。2004年C ree公司与日本关西
电力公司(KEPCO)联合推出阻断电压为4.5kV、
60A容量的GTO,其开关速度小于2L s,比同等类
型S iGTO的速度快10倍以上,并且不需要保护用
的缓冲电路。在S i C I G B T方面,Q.Zhang等报道了
10kV UMOS4H-Si C I GBT,在25e,-7.5V开启
电压下,比导通电阻为175m8#c m2[19]。2007年,
Pur du大学研制了阻断电压高达20kV的Si C P-I G-
BT,P-区厚175L m[20]。同年Cree公司也报道了
12kV的Si C N-I GBT[10],与S-i I GBT的开态特性对
比如图10所示。
图1012kV4H-Si C N-I G BT开态特性
3S i C功率器件发展机遇与挑战
近年来,Si功率器件结构设计和制造工艺日趋
完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠S i
器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有
限。随着S i C衬底材料和器件制造工艺如:外延、欧
姆接触、氧化及反应离子刻蚀(R I E)等技术上取得
重大进展,S i C在各类新材料中脱颖而出,各种S i C
功率器件的研究和开发蓬勃开展起来。
3.1S i C材料和设备
S i C衬底材料近几年已取得突破性进展,美国
C ree公司2~4i n Si C单晶片已经商业化,并计划于
2009~2010年开始供应6i n(150mm)的Si C衬底。
由于6i n是现有使用S i功率器件量产所用尺寸,因
此备受众多元器件厂商期待。此外,Cree公司在
2007国际碳化硅及相关材料会议(I C SCRM2007)上
报道,对于引起元件成品率下降的/贯通螺旋位错
缺陷(threading scre w d islocati o n)0,在3in晶圆的情
况下,C ree公司将其平均削减到375个/c m2,最好
数据可达175个/c m2,这意味着在生产耐压10kV
级别的S i C二极管时,具有61.5%成品率。与此同
时,设备厂商也开始支持Si C材料,如日本爱发科公
司(ULVAC)2005年就推出了S i C材料量产用离子
注入设备,近年来开始致力于可同时处理10片以上
6i n S i C衬底的高温退火设备的产品化。
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2009年第2期
3.2 Si C 器件应用
目前,尽管产量、成本及可靠性等问题仍对S i C 功率器件商品化有所限制,但S i C 器件替代S i 器件的过程已经开始。国际上许多公司和大学正在致力于Si C 功率器件的研究,在整流器、双极晶体管及MOSFET 等多种类型功率开关器件方面取得了令人瞩目的进展。据法国Yo le Deve loppe m ent 市场调查公司2008年的预测,到2015年S i C 器件市场的规模将超过8亿美元,如图11所示。
图11 S i C 功率器件市场预测
现在Cree 公司已建立S i C 器件及MM I C 晶圆代工
厂,并出售高功率Si C 器件。Si C SBD 的开关频率从150k H z 提高到500k H z ,开关损耗极小,适用于频率极高的电源产品,如电信部门的高档PC 及服务器电源。若器件售价从每安培的0.5美元下降到0.2美元,可进入大批量的低档PC 市场。10kV /50A 的P i N 二极管和10kV 的Si C MOSFET 的市场目标是10kV 与110A 的模块,可用于海军舰艇的电气设备、效率更高和切换更快的电网系统,以及电力设备的变换器件。S i C MOSFET 更关注于混合燃料电动车辆的电源与太阳能模块。在I C SCR M 07上,日本丰田汽车公司表示,将在其新一代混合动力汽车中采用Si C 器件技术,最早可能在2010年商业化。丰田公司的强势介入,无疑给目前进展缓慢的S i C 领域注入了强心剂。
3.3 Si C 功率器件发展挑战
尽管S i C 功率器件取得了令人鼓舞的进展,已经有了许多实验室产品,而且部分产品已经进入市场,但是目前存在的几个主要市场和技术挑战限制了其商业化进程的进一步发展。距S i C 产品的大规模应用阶段还需做大量的工作。
在商业化市场方面:1昂贵的S i C 单晶材料。由于目前世界上仅有寥寥数家公司能够提供S i C 单晶片,包括领头羊美国C ree 公司,道康宁(Do wCorn -i n g )公司和欧洲Si C rysta l 公司等。但由于C ree 公司技术性垄断,2006年一片2i n Si C 单晶片的售价
高达500美元,然而相应的4i n S i 片售价仅为7美元。如此昂贵的S i C 单晶片已经严重阻碍了Si C 器件进入民用功率半导体市场。oC ree 公司的技术垄断。由于C ree 公司在世界各国申请了许多专利,严重制约了其他公司在S i C 领域的发展。C ree 公司于2006年初以两千万美元收购了另外一家以1/10价格出售S i C 单晶片的Intrinsic 公司,保持自己的垄断地位。然而由于市场迟迟不能打开,C ree 公司近几年的成长速度明显放慢。
在技术挑战方面:1Si C 单晶材料,包括缺陷密度的降低和消除,以及单晶片尺寸的增加。在导致S i C 功率半导体性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年来取得很大进展,Cree 公司在2007年开始供应零微管(zero m i c rop i p es)密度的4i n S i C 单晶片。目前材料缺陷的研究重点转为位错缺陷(scre w d islocation 、basal p l a ne d islocations 、edge disl o -
cation)等其他缺陷对元件特性造成的影响。oS i C 器件可靠性问题。S i C MOSFET 器件目前存在两个主要技术难点没有完全突破:低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性。目前报道的4H-S i C MOS -FET 的反型层沟道迁移率在30~170c m 2
/V #s ,与S i MOSFET 相比,体现不出Si C MOSFET 的优势。为此,必须通过特殊栅氧化工艺(如:H 2气氛中的氧化后退火、在NO 或N 2O 气氛中进行栅氧化或退火等)消除S i C /S i O 2界面缺陷来提高反型层沟道迁移率。对于S i C B J T 功率器件,现在急需解决的是电流增益退化问题。造成电流增益不稳定性的原因目前仍不清楚,其中一种可能性是由于外延基区内的堆垛层错所引起。?大功率S i C 器件封装问题。当S i C 材料和工艺问题基本解决以后,器件封装的可靠性问题将上升为影响高温Si C 电路性能的主要因素。
4 国内S i C 器件研究现状及发展方向
4.1 研究现状
由于受限于Si C 单晶材料和外延设备,国内在S i C 功率器件方面的实验研究起步较晚,但我国一直在跟踪国外S i C 宽禁带半导体的发展。在国家重点基础研究发展计划(973计划)和高技术研究发展计划(863计划)的支持下,先后启动了/宽禁带半导体XXX 基础研究0、/S i C 高频高温功率器件0和/S i C 单晶衬底制备0项目的研究。特别是在/宽禁带半导体XXX 基础研究0项目的推动下,国内已经
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2009年第2期张波等:宽禁带半导体S i C功率器件发展现状及展望
初步形成集Si C晶体生长(中电46所、山东大学和中科院物理所等)、S i C器件结构设计(电子科技大学和西安电子科技大学等)、Si C器件制造(中电13所、55所和西安电子科技大学等)为一体的产学研齐全的S i C器件研发队伍。
在S i C器件结构设计方面,电子科技大学功率集成技术实验室一直致力于大功率器件研究,在Si C器件新结构、击穿机理、结终端技术等方面作了大量工作。在Si C功率器件方面,在国际上首先提出二项宽禁带半导体器件新理论:宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论,获得众多国际知名学者认同及引用[21,22]。同时提出了基区具有埋P层的高增益Si C BJT器件新结构,并进行了S i C表面氢化模型和氢化技术研究。在Si C微波功率器件方面,提出了S i C MESFETs器件三维凹栅及耐压新结构,并进行了大栅宽Si C MESFETs器件三维电热解析模型及S i C表面陷阱效应的研究[23~26]。
在Si C器件制造方面,现阶段国内已具备自主生长Si C外延的能力,并取得了可喜成果。基于国产S i C 外延材料的不同功率密度S i C MESFETs相继问世,从一定程度上验证了国产S i C外延材料、器件设计和制作工艺的实用性[27~29]。由中国电子科技集团13所研制,电子科技大学参与设计的小栅宽S i C MESFETs器件在2GH z下,输出功率密度达到8.9W/mm[30]。中国电子科技集团55所在2008年报道了4个20mm 栅宽S i C MESFETs器件合成的Si C功率管,在2G H z 下,脉冲输出功率大于280W,功率增益为8.6dB[28]。在S i C整流器方面,中国电子科技集团13所、55所、电子科技大学、西安电子科技大学等单位都研制出600V~1200V的S i C SBD试样。
4.2发展方向
单就S i器件和S i C器件的成本来看,价格相差比较大。但如果从S i C器件带来的系统性能提升来看,其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。特别在高压复杂环境应用中,S i C器件的优势表现得非常明显。目前国内在S i C器件方面的研究主要还是集中在微波功率器件领域,并取得了显著的进展。但在S i C材料另一个重要发展方向-功率器件领域,即Si C电力电子器件方面,我国的研究几乎还是空白。基于Si C材料的特点和目前国际上S i C功率器件的发展趋势和应用前景,国内应该在稳步发展以雷达应用为背景的S i C MESFETs的同时,加快具有更广泛应用领域的Si C功率器件的研究和投入。
由于S i C功率整流器结构相对简单,特别是S i C SBD器件已经比较成熟,因此针对国内S i C器件研究水平,我们认为应优先大力发展Si C整流器(包括:SBD、JBS、Pi N),从器件结构设计和耐压机理分析入手,寻找快速跟进国外同类器件性能的有效途径,加快国内S i C整流器实用化进程。虽然国际上对S i C MOSFET器件市场化寄予厚望,但由于它存在的低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性差的技术难题一直没有获得突破,实用化前景还不明朗。从国际上S i C功率器件当前研究现状分析,目前最可能实用化的器件是没有肖特基接触和MOS界面的Si C JFET和Si C B J T器件。因此国内也应加大对S i C JFET和BJ T器件的研究,重点突破S i C材料离子注入、氧化、深槽刻蚀等工艺,以及新结构的设计优化。对于S i C MOSFET和I G BT器件,国内的研究基础还很薄弱,我们应加快工艺和理论研究,特别是薄栅氧的工艺及理论,为未来S i C MOSFET和I GBT器件发展打好基础。虽然S i C器件工艺在不断成熟,然而目前S i C器件和电路的性能不够优越,除了S i C材料和器件工艺需要不断提高外,特别是在国内目前工艺条件下,更多的努力应该放在如何通过优化S i C器件结构或者提出新型S i C器件结构以充分发挥S i C材料的优势。
5结语
S i C功率器件的应用不仅会显著改善海军舰艇、飞机及智能武器电磁炮等众多军用系统的性能,也将使民用混合动力车辆、列车牵引设备,以及高压直流输电设备等受益匪浅。目前国际上Si C功率器件面临的技术难度正在逐步降低,只要S i C功率器件可靠性问题解决,随着大尺寸S i C器件的发展,价格最终不会成为制约的瓶颈。随着美国国防先进研究计划局宽禁带半导体技术计划的大功率电子器件应用宽禁带技术的不断发展和S i C功率器件在民用领域,特别是电动汽车领域的推广应用,相信下一个十年S i C 功率器件会大量应用于军事和民用的各个领域。
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作者简介
张 波(1964-),男,重庆江津人,教授,博士生导师,电子科技大学微电子与固体电子学院副院长,主要研究方向为功率半导体技术,E -m ai:l zhangbo@uestc .edu .cn ;
邓小川(1974-),男,四川大竹人,博士,讲师,主要研究方向为宽禁带半导体S i C 功率器件;
张有润(1980-),男,安徽合肥人,电子科技大学博士研究生,主要研究方向为宽禁带半导体Si C 功率器件;
李肇基(1940-),男,四川内江人,教授,博士生导师,主要研究方向为半导体功率器件及物理。
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半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
深圳威宇佳公司是国内知名的功率半导体检测专家，专门生产制造简便易用、高精度的设备，让操作人员轻松上手操作，省力更省心。如生产的IGBT动态参数测试设备、PIM&单管IGBT 专用动态设备、IGBT静态参数测试设备、功率半导体测试平台等，均是经过经验丰富的技术人员精心打磨出来的，设备高可靠性、高效率，已在市场上应用超过10年，历经了超过500万只模块/DBC的测试考验。
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
宽禁带半导体材料与工艺 1.1 宽禁带半导体的概念和发展 宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料。这类材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。 第二代半导体GaAs与Si相比除了禁带宽度增大外，其电子迁移率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，因此其器件更适合高频工作。GaAs场效应管器件还具有噪声低、效率高和线性度好的特点但相比第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，因此它的功率特性方面的表现不足。为了满足无线通信、雷达等应用对高频率、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年代初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。 我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。 1.2 主要的宽禁带半导体材料 近年来，发展较好的宽禁带半导体材料主要是SiC和GaN，其中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数如下图所示：
图1-1 半导体材料的重要参数 如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体材料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。 2.1 SiC材料 纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。碳化硅晶体结构分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变为α-SiC。 SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中唯一的一种固态化合物。构成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四面体单元(图25a)。原子间通过定向的强四面体SP3键(图25b)结合在一起，并有一定程度的极化。SiC具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了
半导体材料种类繁多，分类方法各不相同，一般将以硅(Si)、锗(Ge)等为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料；以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、磷化镓(GaP)等为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料；以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）、氧化锌(ZnO)、金刚石为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料[1]。以硅材料为代表的第一代半导体材料的发展是从20世纪50年代开始，它取代了笨重的电子管，导致了以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃，广泛应用于信息处理和自动控制等领域[2]。 20世纪90年代以来，随着移动无限通信的飞速发展和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料开始兴起。由于其具有电子迁移率高、电子饱和漂移速度高等特点，适于制备高速和超高速半导体器件，目前基本占领手机制造器件市场[3]。 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、 大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需求，必须采用新的材料，以便最大限度地提高电子元器件的内在性能。近年来，新发展起来了第三代半导体材料--宽禁带半导体材料，该类材料具有热导率高、电子饱和速度高、击穿电压高、介电常数低等特点[4]，这就从理论上保证了其较宽的适用范围。目前，由其制作的器件工作温度可达到600℃以上、抗辐照1×106rad；小栅宽GaNHEMT器件分别在4GHz下，功率密度达到40W/mm；在8GHz，功率密度达到30W/mm；在18GHz，功率密度达到9.1W/mm；在40GHz，功率密度达到10.5W/mm；在80.5GHz，功率密度达到2.1W/mm，等。因此，宽禁带半导体技术已成为当今电子产业发展的新型动力。从目前宽禁带半导体材料和器件的研究情况来看，研究重点多集中于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术，其中SiC技术最为成熟，研究进展也较快；而GaN技术应用广泛，尤其在光电器件应用方面研究比较深入[5]。氮化铝、金刚石、氧化锌等宽禁带半导体技术研究报道较少，但从其材料优越性来看，颇具发展潜力，相信随着研究的不断深入，其应用前景将十分广阔。 1宽禁带半导体材料 1.1碳化硅单晶材料 在宽禁带半导体材料领域就技术成熟度而言，碳化硅是这族材料中最高的，是宽禁带半导体的核心。SiC材料是IV-IV族半导体化合物，具有宽禁带(Eg：3.2eV)、高击穿电场(4×106V/cm)、高热导率(4.9W/cm.k)等特点[6]。从结构上讲，SiC材料属硅碳原子对密排结构，既可以看成硅原子密排，碳原子占其四面体空位；又可看成碳原子密排，硅占碳的四面体空位[7]。对于碳化硅密排结构，由单向密排方式的不同产生各种不同的晶型,业已发现约200种[8]。目前最常见应用最广泛的是4H和6H晶型。4H-SiC特别适用于微电子领域，用于制备高频、高温、大功率器件；6H-SiC特别适用于光电子领域，实现全彩显示。 第一代、第二代半导体材料和器件在发展过程中已经遇到或将要遇到以下重大挑战和需求[9,10]： (1)突破功率器件工作温度极限，实现不冷却可工作在300℃～600℃高温电子系统。 (2)必须突破硅功率器件的极限，提高功率和效率，从而提高武器装备功率电子系统的性能。 (3)必须突破GaAs功率器件的极限，在微波频段实现高功率密度，实现固态微波通讯系统、雷达、电子对抗装备更新换代。 (4)必须拓宽发光光谱，实现全彩显示、新的光存储、紫外探测以及固态照明。 随着SiC技术的发展，其电子器件和电路将为系统解决上述挑战奠定坚实基础。因此SiC材料的发展将直接影响宽禁带技术的发展。 SiC器件和电路具有超强的性能和广阔的应用前景，因此一直受业界高度重视，基本形成了美国、 欧洲、日本三足鼎立的局面。目前，国际上实现碳化硅单晶抛光片商品化的公司主要有美国
综 述 宽禁带半导体功率器件 刘海涛 陈启秀 (浙江大学信电系功率器件研究所,杭州310027) 摘要 阐述了宽禁带半导体的主要特性与Si C、金刚石等主要宽禁带半导体功率器件的最新发展动态及其存在的主要问题,并对其未来的发展作出展望。 关键词 宽禁带半导体 功率器件 碳化硅 金刚石 W ide Bandgap Sem iconductor Power D ev ices L iu H aitao,Chen Q ix iu (Institu te of P o w er D ev ices,Z hej iang U niversity,H ang z hou310027) Abstract T he p ap er p resen ts the m ain characteristics of w ide bandgap sem iconduc2 to rs,and elabo rates the latest developm en t of Si C and diam ond pow er devices.A t the sam e ti m e,the fu tu re developm en t of Si C and diam ond pow er devices is fo rcasted. Keywords W ide bandgap sem iconducto r Pow er devices Si C D iam ond 1 引 言 由于Si功率器件已日趋其发展的极限,尤其在高频、高温及高功率领域更显示出其局限性,因此开发研制宽带半导体器件已越来越被人们所关注。所谓宽带半导体(W B G)主要是指禁带宽度大于212电子伏特的半导体材料,包括 —O、 —S、 —Se、 —N、Si C、金刚石以及其他一些化合物半导体材料。这些材料一般均具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率,因此他们比Si及GaA s更适合于制作高温、高频及高功率器件。其中John son优值指数(JFOM=E c v s 2Π,E c 为临界电场;v s为电子饱和速率)、Keyes优值指数(KFOM=Κ[C v s 4ΠΕ]1 2,其中C为光速;Ε为介电常数)和B aliga优值指数(B FOM=ΕΛE G3,其中E G为禁带宽度,Λ为迁移率)分别从功率频率能力、耐热能力及导通功率损耗三方面说明了这一科学事实[1]。表1[2]列出了常见宽带半导体与Si,GaA s的比较。 由表1可知宽禁带半导体具有许多优点: 1)W B G具有很高的热导率(尤其是Si C与金刚石),使得它们能够迅速转移所产生的热量,广泛用于高温及高功率领域;2)由于W B G的禁带宽度很大,因此相应器件的漏电流极小,一般比Si半导体器件低10～14个数量级,有利于制作CCD器件及高速存储器;3)W B G具有比普通半导体更低的介电常数及更高的电子饱和速率,使之比Si,GaA s更适合于制作毫米波放大器及微波放大器。除此之外,W B G还具有负的电子亲和势及很高的异质结偏置电势,使得它们特别适合于阴极发射的平板显示器。 鉴于近几年Si C与金刚石材料的生长技术及氧化、掺杂、欧姆接触等工艺的成熟,使得Si C与金刚石器件得到了突飞猛进的发展,下面我们将主要评述Si C及金刚石的最新发展。 2 Si C功率器件 近年来Si C功率器件的研究引起了世界科学界的高度重视,尤其是美国、欧洲等发达国
科学技术创新2019.30 功率半导体器件封装技术的新趋势分析 刘乐 （国家知识产权局专利局电学部， 北京100088）现代功率半导体器件的封装，主要朝着小体积和大功率的方 向不断发展，通过这种技术上的升级， 可以显著减低功率半导体硅片与散热器之间的热阻，保障整个输出功率， 可以达到最大，并对接处的阻抗进行数值分析，全面提高功率半导体器件的通流能力。 1功率半导体封装技术要点 功率半导体在目前的换流电路中， 对一些杂散电感，处理能力较差，提高封装技术的应用效果， 可以显著降低这种杂感电感，从而使得功率半导体的阻断电压得到最充分的利用。 1.1绝缘电压控制 封装技术要满足目前功率半导体运行过程当中，面临的绝缘 电压情况，尽可能的降低功率半导体封装的体积， 实现结构设计上的紧凑性，避免绝缘电压的存在， 影响功率半导体阻断的具体运行情况，延长功率半导体器件的使用寿命， 降低咱电感应现象，对于电路的危害[1]。 1.2skiip 技术应用 这种技术最早是在中等功率的半导体元器件封装当中应用，在目前逐，渐向大功率半导体元器件封装技术当中发展。技术人员可以通过半导体封装当中的铲车和牵引仪器，对于热压力进行整 合分析。并且通过直接连接方式， 应用相关陶瓷基片，对于散热器进行优化升级。（1）通过这种设计形式，可以去除掉封装过程当中 的铜底板，从而进一步的压缩整个元器件封装的体积， 提高结构设计的紧凑性。（2）应用这种技术，还可以对于封装过程当中半导体 元器件的汇流排和辅助连接器件， 进行一体式封压，从而全面提高陶瓷基片的控制功能。（3）运用这种焊接方式， 焊料的浪费可以大大的降低。（4）由于底板的去除，整个功率半导体元器件的热阻会 显著的减少。 1.3损耗分析 半导体元器件封装过程当中，硅的损耗是造成散热器温差控 制效果较差的主要原因，通过这种skiip 控制模块的运行方式， 可以将整个散热器运行的温度，下降3-7℃。（1）这种运行方式可以 显著降低整个半导体元件的热阻效应， 基本上可以降低10%左右。（2）同时，由于体积的减少，底板元件去除， 整个陶瓷基片与半导体元件之间，铜底板的连接焊料也就不复存在。（3）技术人员还可以 通过材料系数的相关调整，对于封装过程当中的膨胀系数，进行定量分析，避免传统的封装方式造成半导体元件的热疲劳现象。 1.4机械应力改进 在铲车之类牵引应用的过程当中，skiip 这种封装技术运行非 常可靠。目前这种技术已经具有了比较标准化的发展结构， 可以通过单元式的连续空留方式，与半导体元件的电路， 以及外壳，进行优化的连接，从而形成一个三相桥结构， 不仅可以驱动标准感应电机连续运行，还可以通过独立交流的方式， 与DBC 陶瓷片的基本元器件，进行组合连接， 形成一个控制模组。通过这种封装方式的改进，每个半导体元件封装过程当中的 半桥电感， 最低只有15nh 。而且运用这种方式，功率半导体封装过程当中各个元件上的电流分布更加的均匀， 也就是说，不必再对电流的额定值，进行差异化分析，就可以完成整个单元的分装作业。 2新一代skiip 技术发展2.1新一代skiip 技术原理 新一代skiip 技术，正在朝着总成本优化设计的角度进行发 展，通过这种散热器温度传感的高度智能化控制， 技术人员可以对功率半导体封装过程当中的相电流和直电流，进行智能传感与压 力控制，通过这种集成驱动方式， 可以很好的保护封装过程当中的相应开关损耗，从而通过脉冲测试等等， 随时了解到半导体元器件运行过程当中的热阻值[2] 。 脉冲数值Q 会随着时间的变化而变化，对硅的散失情况进行系统求和，就可以更好的对脉冲数值进行定量分析。方便进行数据检验与数据校核，全面提高整个功率半导体封装过程当中的安全效应，避免元件损坏，提高整个元器件的使用寿命。 2.2沟槽型原包结构 新一代的skiip 组件模块采用第三代芯片， 这种芯片对于电流密度的调节优化作用非常的显著， 可以通过双单元封装模块，对于功率半导体封装过程当中的电流电压传感器，进行一体化的数据 把控。在这种双单元封装模式之下， 电流的输出水平可以从传统的200安提高到400安，有效数值增加20%，连续传输功率上升70%，设备达到最高电流密度的时间下降150%。 2.3陶瓷材料的优化选择 为了适应这种新型的skiip 组件模块技术，要选择优级的氮化 铝陶瓷材料，这种基本原漆片可以保证skiip 封装过程当中， 三相桥模块运行有效，可以提供强大的驱动力， 保障标准电机的正常运行。对于输出功率进行相应的调节， 通过这种标准化的驱动能力，提升整个基本元件的输出功率，一般来说，密度可以上升70%以 上，这种系统优化改进不仅可以增加单元硅片的有效控制面积， 还可以避免散热器安装过程当中传统难点问题，实现机械层面与电气层面的相应兼容。 2.4成套顶装配双单元组件 在进行封装模块优化的过程当中，可以通过这种双单元封装模块的工艺改造，为最终的设备安装与测试流程提供便利。 第一，通过数据更新，将这种装配与测试环节系统分布下来， 通过精细化的封装驱动器控制，进行磨牙和弹簧压得相应调节。 这种skiip 相应驱动器，可以在不同的元件之间进行转换， 从而全面改善模块的可靠性，并且降低封装技术需要的设备成本。摘要：功率半导体体积较小、输出功率非常大，在现代制造行业当中有着非常广泛的应用， 对其封装技术进行讨论，有利于全面提高功率半导体器件应用的有效性。基于此，本文主要分析功率半导体器件封装当中的关键技术， 并结合具体的器件封装发展情况，分析这种封装技术的新趋势。 关键词：功率半导体；器件封装技术； 新趋势中图分类号:TN305文献标识码:A 文章编号:2096-4390(2019)30-0194-02（转下页） 194--
宽禁带半导体光电材料的研究及其应用 宽禁带半导体材料(Eg大于或等于3.2ev)被称为第三代半导体材料。主要包 括金刚石、SiC、GaN等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有禁带宽度大,电子漂移饱和速度高、介电常数小、导电性能好,具有更高的击穿电场、更高的抗辐射能力的特点,其本身具有的优越性质及其在微波功率器件领域应用中潜在的巨大前景,非常适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。 以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物作为第三代半导体材料,是一种良好的直 接宽隙半导体光电材料,其室温禁带宽度为3.4eV,它可以实现从红外到紫外全可见光范围的光辐射。近年来已相继制造出了蓝、绿色发光二极管和蓝色激光器等光电子器,这为实现红、黄、蓝三原色全光固体显示,制备大功率、耐高温、抗腐蚀器件,外空间紫外探测,雷达,光盘存储精细化、高密度,微波器件高速化等奠定了基础。 氮化镓和砷化镓同属III-V族半导体化合物,但氮化镓是III-V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光,其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短,这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积,从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比,它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上,而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方 面具有明显的实用价值,同时在光电子领域的其他方面也可以得 到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点,但由于氮 化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结,氮化 镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的 努力,1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材
2019年半导体分立器件行业发展研究 （一）半导体行业基本情况 1、半导体概况 （1）半导体的概念 半导体是一种导电性可受控制，常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体的导电性受控制的范围为从绝缘体到几个欧姆之间。半导体具有五大特性：掺杂性（在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性）、热敏性、光敏性（在光照和热辐射条件下，其导电性有明显 的变化）、负电阻率温度特性，整流特性。半导体产业为电子元器件产业中最重 要的组成部分，在电子、能源行业的众多细分领域均都有广泛的应用。 （2）半导体行业分类 按照制造技术的不同，半导体产业可划分为集成电路、分立器件、其他器件等多类产品，其中集成电路是把基本的电路元件如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等制作在一个小型晶片上然后封装起来形成具有多功能的单元，主要实现对
信息的处理、存储和转换；分立器件是指具有单一功能的电路基本元件，主要实现电能的处理与变换，而半导体功率器件是分立器件的重要部分。 分立器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等半导体功率器件产品；其中，MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件，相比于功率三极管、晶闸管等电流控制型开关器件，具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。公司生产的MOSFET系列产品和IGBT系列产品属于国内技术水平领先的半导体分立器件产品。半导体器件的分类示意图和公司产品所处的领域如下图所示：
在分立器件发展过程中，20 世纪50 年代，功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统。20 世纪60 至70 年代，晶闸管等半导体功率器件快速发展。20世纪70年代末，平面型功率MOSFET 发展起来；20 世纪80 年代后期，沟槽型功率MOSFET 和IGBT 逐步面世，半导体功率器件正式进入电子应用时
SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景 近年来，Si功率器件结构设计和制造工艺日趋完善，已经接近其材料特性决定的理论极限，依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景，其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题，最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。 SiC功率半导体器件技术发展现状1、碳化硅功率二极管 碳化硅功率二极管有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管（JBS）。由于存在肖特基势垒，SBD具有较低的结势垒高度。因此，SBD具有低正向电压的优势。SiC SBD的出现将SBD的应用范围从250 V提高到了1200 V。同时，其高温特性好，从室温到由管壳限定的175℃，反向漏电流几乎没有增加。在3 kV以上的整流器应用领域，SiC PiN和SiC JBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。 2、单极型功率晶体管，碳化硅功率MOSFET器件 硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域，是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10 kV 的SiC MOSFET。研究人员认为，碳化硅MOSFET器件在3kV～5 kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难，具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。 另外，有报道介绍，碳化硅MOSFET栅氧层的可靠性已得到明显提高。在350℃条件下有良好的可靠性。这些研究结果表明栅氧层将有希望不再是碳化硅MOSFET的一个显著的问题。 3、碳化硅绝缘栅双极晶体管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶闸管（SiC Thyristor） 最近报道了阻断电压12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向电流能力。碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比，SiC 双极型晶体管具有低20～50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiC BJT主要分为外延发
宽禁带半导体材料特性及生长技术 何耀洪, 谢重木 (信息产业部电子第46所,天津,300220) 摘要:叙述了宽带半导体材料SiC、G aN的主要特性和生产长方法,并对其发展动态和存在问题进行了简要评述。 关键词:宽禁带半导体材料;碳化硅;氮化硅 中图分类号:TN304 文章编号:1005-3077(1999)-04-0031-09 The Characteristics and Growth Methods of Wide Bandgap Semiconductor Materials HE Yaohong, XIE Chongmu (T he46th Research Institute,M.I.I.,T ianjin,300220) A bstract:The paper presents the main characteristics and g rowth methods o f wide bandgap semiconduc- tor materials,In aditio n,the lastest developments and problems o n SiC and GaN to be reviewed. Key words:w ide bandgap semiconductor materials;SiC;G aN 1 引 言 在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的化合物半导体材料称为第三代半导体材料,由于SiC和GaN材料的禁带宽度较Si、GaAs等材料更宽,因而它们一般具有高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力,因而更适合于制作高温、高频及大功率器件,故称这类材料为宽禁带半导体材料,也称高温半导体材料。它们在微电子和光电子领域中具有十分广阔的应用潜在优势,如AlGaN HFET最大振荡频率超过100GHz,功率密度大于5.3W/m m(在10GHz时),4H-SiC M EFET在850M Hz(CW)和10GHz(PW)时功率密度3.3W/mm,4H-SiC PIN二极管击穿电压高达5.5kV;在可见光全光固体显示、高密度存储、紫外探测及在节能照明(半导体激光光源能耗仅为相当亮度白炽灯泡的十分之一,而寿命长达10～15年)等方面开创了广阔的应用前景。 2 SiC材料特性及生长技术 近年来,随着半导体器件在航空航天、石油勘探,核能、汽车及通信等领域应用的不断扩 收稿日期:1999-11-30
山东建筑大学毕业论文开题报告表班级： 姓名： 论文题目宽禁带半导体ZnO的调研一、选题背景和意义 Zn0是一种新型的II-VI族宽禁带半导体材料，具有优异的晶格、光电、压电和介电特性，和III-V族氮化物及II-VI族硒化物比具有很多潜在的优点。首先，它是一种直接带隙宽禁带半导体，室温下的禁带宽度为，与GaN()相近，而它的激子结合能()却比GaN()高出许多，因此产生室温短波长发光的条件更加优越；而且ZnO薄膜可以在低于500℃温度下获得，不仅可以减少材料在高温西制备时产生的杂质和缺陷，同时也大大简化了制备工艺；同时ZnO来源丰富，价格低廉，又具有很高的热稳定性和化学稳定性。ZnO在UV、蓝光LED和LDS器件等研究方面被认为是最有希望取代GaN的首选材料，ZnO已经成为国内外半导体材料领域一个新的研究热点。国内外有很多科研团队都在进行ZnO的研究．虽然Zn0暂时不能完全取代si 在电子产业中的基础地位，但是ZnO以其特殊的性质成为Si电路的补充。 国内外对于ZnO的研究一直是近几年半导体材料研究的热点。无论是薄膜ZnO、纳米ZnO或是体单晶ZnO，文献很好地总结了2003年之前的国外ZnO晶体的研究与发展状况。随着高质量、大尺寸单晶ZnO 生产已经成为可能，单晶ZnO通过加工可以作为GaN衬底材料。ZnO与GaN的晶体结构、晶格常量都很相似。晶格失配度只有2.2%(沿〈001〉方向)、热膨胀系数差异小，可以解决目前GaN生长困难的难题。GaN作为目前主要的蓝、紫外发光半导体材料，在DVD播放器中有重要的应用。由于世界上能生产ZnO单晶的国家不多，主要是美国、日
本。所以ZnO单晶生产具有巨大的市场潜力。近年来，材料制备技术的突破，纳米ZnO半导体的制备、性能及其应用成为材料学的一个研究热点。 本文介绍了ZnO薄膜具有的许多优异特性，优良的压电性、气敏性、压敏性和湿敏性，且原料廉价易得。这些特点使其在表面声波器件(SAW)、太阳能电池、气敏元件等领域得到广泛的应用。随着对ZnO紫外受激发射特性的研究和P型掺杂的实现，ZnO作为光电材料在紫外探测器、LED、LD等领域也有着巨大的应用潜力。另外本文还介绍了纳米氧化锌的许多优点和在许多方面的应用。 目前，我国各类氧化锌处于供不应求的状况，而以活性氧化锌和纳米氧化锌取代传统氧化锌是不可阻挡的趋势，可见，今后纳米氧化锌必会有非常广阔的市场前景。 二、课题关键问题及难点 要深入研究该方面的知识，就要涉猎很多方面的知识。作为本科学生，如何在现有知识的基础上，阅读并理解有关书目、文献，总结归纳相关理论和研究方法，是本课题首先要解决的关键问题。 首先，要了解氧化锌作为宽禁带半导体的特性，然后再细致的查找氧化锌薄膜的诸多性质和这些性质在哪些方面的应用。同时要寻找纳米氧化锌材料与普通氧化锌材料相比有哪些优点、在发展中存在的问题和以后的研究方向。查询相关资料并阅读和理解之后，合理的安排介绍氧化锌作为宽禁带半导体材料的性质和应用。 三、文献综述 当前，电子器件的使用条件越来越恶劣，要适应高频、大功率、耐高温、抗辐照等特殊环境。为了满足未来电子器件需
功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT…… 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪40年代，是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是： 漏电流小、通态压降较高(1 0～1 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点，但是它的通态压降却很高(1 6～4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路
氮化物宽禁带半导体一第三代半导体技术 张国义１，李树明２ 北掌大学韵曩最，卜蘑■一目毫重点宴■宣 ‘２北大董光科技酣青曩公司 北囊１∞耵１ ｉ盲謦。 莳耍曰曩了量化精半导体曲主要持征和应用■量．巨督圈辱上和重内的主曩研兜理状．市场分析与攮测．由此－ｕ蚪再｝１１．氯化韵帕研究已妊成为高科技鬣壤田际竟争的■膏点之一．ｔ为第三代半■体拄术，育形成蠢科技臣夫产＿ｔ群的ｒ口艟 性．也存在着蠢积的竞争和蕞｛；‘翻舶风龄． 众所周知，以Ｇｅ，Ｓｉ为基础的半导体技术，奠定丁二十世纪电子工业的基础．其主要产品形式是以大规模集成电路为主要技术的计算机等电子产品．形成了巨大的徽电子产业 群。其技术水平标志是大的晶片尺寸和窄的线条宽度．如１２英寸／０．１５微米技术．是成 功的标志，被称之为第一代半导体技术．以Ｇ“ｓ．ＩｎＰ．包括Ｇ吐ｌ＾ｓ，ＩｆＩＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｌＰ瞢 ＩＩＩ—ｖ族砷化物和碑化韵半导体技术，奠定了二十世纪光电子产业的基础，其主要产品形 式是以光发射器件，如半导体发光二极管（Ｌ肋）和激光嚣（ＬＤ）等．为基础的光显示． 光通讯，光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平标志是使通讯 速度，信息容量，存储密度大幅度提高，被称之为第二代半导体技术． 对徽电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问矗和二十一世纪发晨趋势是人们关心的问题．高速仍然是微电子的追求目标，高温大功率还是没有很好解决的问题；光电子的 主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短波长（绿光．蓝光．咀至紫外波段）ＬＥＤ和 ＬＤ．光电集成（０ＥＩｃ）是人们长期追求的目标，由于光电材料的不兼容性，还没有很好的 实现。事实上．这些问题是第一代和第二代半导体材料本身性质决定，不可舱解决的问 题。它需要寻找一种高性能的宽禁带半导体材料．而这一工作二十世纪后半叶就已经开 始．在世纪之交得以确认。那就是第三代半导体技术一ＩＩＩ一族氮化物半导体技术． ＧａＮ、ＡｌＮ和ＩｎＮ以及由它们组成的三元合金是主要的ＩＩＩ族氰化物材料．所有氮化物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，而在一些特定的条件下，例如在立方豸多。 衬底上外延时，ＧａＮ和ＩｎＮ能够形成立方对称性的闪锌矿结构．这两种结构只是原子层的 堆积次序不同，它们的原予最近邻位置几乎完全相同，而次近邻位置有所不同，因而它们 的性质根接近。三元合金Ａ１ＧａＮ，ＩｎＧａＮ也是重要的氰化物材料。它们的禁带宽度基本符 合ｖｅｇａｒｄ定理［１，２］。№ｔｓｕｏｋａ［３］通过计算指出ＡｌＮ与ＧａＮ可咀组成组份连续变化的合 金，ＩｒＩＮ与ＧａＮ则存在较大的互熔间隙． 以氮化镓为基础的宽禁带半导体可以用来，并已经广泛用来制备高亮度蓝。绿光平＂白光ＬＥＤ，蓝光到紫外波段的激光器（ＬＤ），繁外光传感器，等光屯子器件：高温人功率场 设麻品体管（ＦＥＴ）．双极晶体管（ＨＢＴ），高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）等徽电子器 什：这些器件构成了全色火屏幕ＬＥＤ显示和交通信号灯等应Ｈｊ的ＲＧＢ１：鞋：向光ＬＥＤ将构 ?１７?
中国半导体产业发展历史大事记之二 ◎分立器件发展阶段（１９５６--１９６５） １９５６年中国提出“向科学进军”，国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”，明确了目标。根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究发展半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。从半导体材料开始，自力更生研究半导体器件。为了落实发展半导体规划，中国科学院应用物理所首先举行了半导体器件短期训练班。请回国的半导体专家内昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制技术和半导体线路。参加短训班的约１００多人。 当时国家决定由五所大学-北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学半导体物理专来，共同培养第一批半导体人才。五校中最出名的教授有北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德和吉林大学的高鼎三。１９５７年就有一批毕业生，其中有现在成为中国科学院院士的王阳元（北京大学）、工程院院士的许居衍（华晶集团公司）和电子工业部总工程师俞忠钰等人。之后，清华大学等一批工科大学也先后设置了半导体专业。 中国半导体材料从锗（Ｇｅ）开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。１９５７年北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一研究所开发锗晶体管。前者由王守武任半导体实验室主任，后者由武尔桢负责。１９５７可国依靠自己的技术开发，相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。为了加强半导体的研究，中国科学院于１９６０年在北京建立了半导体研究所，同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所，即现在的河北半导体研究所。到六十年代初，中国半导体器件开始在工厂生产。此时，国内搞半导体器件的已有十几个厂点。当时北方以北京电子管厂为代表，生产了ＩＩ－６低频合金管和ＩＩ４０１高频合金扩散管；南方以上海元件五厂为代表。 在锗之后，很快也研究出其他半导体材料。１９５９年天津拉制了硅（Ｓｉ）单晶。１９６２年又接制了砷化镓（ＧａＡｓ）单晶，后来也研究开发了其他种化合物半导体。 硅器件开始搞的是合金管。１９６２年研究成外延工艺，并开始研究采用照相制版、光刻工艺，河北半导体研究所在１９６３年搞出了硅平面型晶体管，１９６４年搞出了硅外延平面型晶体管。在平面管之前不久，也搞过错和硅的台面扩散管，但一旦平面管研制出来后，绝大部分器件采用平面结构，因为它更适合于批量生产。
新一代宽禁带半导体材料 回顾半导体的发展历程，随着不同时期新材料的出现，半导体的应用先后出现了几次飞跃。 首先，硅材料的发现使半导体在微电子领域的应用获得突破性进展，日用家电和计算机的广泛应用都应该归功于硅材料的应用。 而后，砷化镓材料的研究则使半导体的应用进入光电子学领域。用砷化镓基材料及其类似的一些化合物半导体，如镓铝砷、磷镓砷、铟镓砷、磷化镓、磷化铟和磷砷化镓等，制备出的发光二极管和半导体激光器在光通信和光信息处理等领域起到不可替代的作用，由此也带来了VCD和多媒体等的飞速发展。 目前，人们又开始研究新一代的宽禁带半导体材料，其中最有意义的是碳化硅、氮化镓和氧化锌。这些材料的共同特点是它们的禁带宽度在3．3到3．5电子伏之间，是硅的3倍，比砷化镓的禁带宽度也大了两倍以上。由于它们的一些特殊性质和潜在应用前景使它们备受关注。 碳化硅具有高热导率（硅的3．3倍）、高击穿场强（硅的10倍）、高饱和电子漂移速率（硅的2．5倍）以及高键合能等优点。所以特别适合于制造高频、大功率、抗辐射、抗腐蚀的电子器件，并且可以在几百度高温的恶劣环境下工作。可用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、石油钻井、无干扰电子点火装置、喷气发动机传感器等重要领域。目前，碳化硅高频大功率器件已应用到军用雷达、卫星通讯和高清晰度电视图像的发送和传播等方面。 氮化镓和砷化镓同属III－V族半导体化合物，但氮化镓是III－V族半导体化合物中少有的宽禁带材料。利用宽禁带这一特点制备的氮化镓激光器可以发出蓝色激光，其波长比砷化镓激光器发出的近红外波长的一半还要短，这样就可以大大降低激光束聚焦斑点的面积，从而提高光纪录的密度。与目前常用的砷化镓激光器相比，它不仅可以将光盘纪录的信息量提高四倍以上，而且可以大大提高光信息的存取速度。这一优点不仅在光纪录方面具有明显的实用价值，同时在光电子领域的其他方面也可以得到广泛应用。虽然人们早就认识到氮化镓的这一优点，但由于氮化镓单晶材料制备上的困难以及难于生长出氮化镓PN结，氮化镓发光器件的研究很长时间一直没有获得突破。经过近20年的努力，1985年通过先进的分子束外延方法大大改善了氮化镓材料的性能；1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了氮化镓P型材料的生长并制备出PN结；1995年Nakamura等人制备出发蓝紫光的氮化镓发光二极管，效率达到5％，赶上了传统的磷砷化镓发光二极管的效率，寿命超过一万小时。1997年，用氮化镓基材料制备的半导体激光器也开始面世。这一飞速发展的势头反映了氮化镓材料受重视的程度。有人估计，氮化镓器件在化合物半导体市场的份额将由1997年的2％很快上升到2006年的20％，成为光电子产业中非常重要的产品。 与氮化镓材料相比，氧化锌薄膜的紫外发光是刚刚开始的新兴课题。氧化锌是一种具有六方结构的自激活宽禁带半导体材料，室温下的禁带宽度为3．36eV，特别是它的激子结合能高达60毫电子伏，在目前常用的半导体材料中首屈一指，这一特性使它具备了室温下短波长发光的有利条件；此外，氧化锌具有很高的导电性，它还和其他氧化物一样具有很高的化学稳定性和耐高温性质，而且它的来源丰富，价格低廉。这些优点使它成为制备光电子器件的优良材料，极具开发和应用的价值。1997年日本和香港科学家合作研究得到了氧化锌薄膜的近紫外受激发光，开拓了氧化锌薄膜在发光领域的应用。由于它产生的受激发射的波长比氮化镓的发射波长更短，对提高光信息的纪录密度和存取速度更加有利，而且价格便宜。目前，除了氧化锌薄膜的发光特性外，也有人发现了氧化锌薄膜的光生伏特效应，显示出用它制备太阳能电