寬禁帶半導體材料

隨著微波器件及光電子器件的發展，Ⅲ-Ⅴ族展，但電子學的發展對器件提出了愈來愈高的要求，特別是需要大功率、高頻、高速、高溫以及在惡劣環境中工作的器件。例如，高性能軍用飛機及超音速琶機發動機的監控系統要求在300℃下長期工作，而一般的器件只能在100℃下正常運行：在星際航行方面，水星在接近太陽時表面溫度為370℃，而金星的表面溫度更高，達450℃，壓力為10 Pa，可是硅電池的最高工作溫度僅200℃，GaAs電池雖可在200℃以上工作，但效率大大下降；通信領域也要求更高的頻率和更大的功率，所有這些都是現有的Si器件或GaAs器件所無法滿足的。在字宙飛船上，為使器件的溫度降至Si器件所能容忍的125℃，就必須配備冷卻系統，如果器件能在325℃下工作，除掉這一冷卻系統就可使無人飛船的體積減小60%。時代的需求呼喚著高溫半導體材料的出現。對於研究半導體材料的人來說，正面臨著一個令人振奮的時代，因為近年來在高溫半導體方面的研究進展很快。

硅材料一直是電力電子器件所採用的主要半導體材料。其主要原因是人們早已掌握了低成本、大批量製造、大尺寸、低缺陷、高純度的單晶硅材料的技術以及隨後對其進行半導體加工的各種工藝技術，人類對硅器件不斷的研究和開發投入也是巨大的。但是，硅器件的各方面性能已隨其結構設計和製造工藝的相當完善而接近其由材料特性決定的理論極限(雖然隨著器件技術的不斷創新這個極限一再被突破)，很多人認為依靠硅器件繼續完善和提高電力電子裝置與系統性能的潛力已十分有限。因此，將越來越多的注意力投向基於寬禁帶半導體材料的電力電子器件。

由於具有比硅寬得多的禁帶寬度，寬禁帶半導體材料一般都具有比硅高得多的臨界雪崩擊穿電場強度和載流子飽和漂移速度、較高的熱導率和相差不大的載流子遷移率，因此，基於寬禁帶半導體材料(如碳化硅)的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態電阻、更好的導熱性能和熱穩定性以及更強的耐受高溫和射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數量級地提高。但是，寬禁帶半導體器件的發展一直受制於材料的提煉、製造以及隨後半導體製造工藝的困難。

直到20世紀90年代，碳化硅材料的提煉和製造技術以及隨後的半導體製造工藝才有所突破，到21世紀初推出了基於碳化硅的肖特基二極體，性能全面優於硅肖特基二極體，因而迅速在有關的電力電子裝置中應用，其總體效益遠遠超過這些器件與硅器件之間的價格差異造成的成本增加。氮化鎵的半導體製造工藝自20世紀90年代以來也有所突破，因而也己可以在其他材料襯底的基礎上實旋加工工藝製造相應的器件。由於氮化鎵器件具有比碳化硅器件更好的高頻特性而較受關注。金剛石在這些寬禁帶半導體材料中性能是最好的，很多人稱之為最理想的或最具前景的電力半導體材料。但是金剛石材料提煉和製造以及隨後的半導體製造工藝也是最困難的，還沒有有效的辦法。距離基於金剛石材料的電力電子器件產品的出現還有很長的路要走。

由氮化銦(InN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AIN)及其合金組成的Ill族氮化物(又稱GaN基)半導體是最重要的一類寬禁帶半導體。其主要應用領域包括：

(1)照明領域：當前在國內外非常受人矚目的半導體照明是一種新型的高效、節能和環保光源，它將取代使用的大部分傳統光源，被稱為21世紀照明光源的革命，而氮化鎵基高效率、高亮度發光二極體(LED)的研製是實現半導體照明的核心技術和基礎。

(2)光存儲領域：DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長的平方呈反比，而氮化鎵基短波長半導體激光器可以把當前使用的砷化鎵(GaAs)基半導體激光器的DVD光存儲密度提高4~5倍，將會成為新型光存儲和處理的主流技術。

(3)電子器件領域：高溫、高頻、高功率微波器件是無線通信、國防等領域急需的電子器件，如果使用的微波功率管的輸出功率密度提高一個數量級，微波器件的工作溫度提高到300℃，將解決航天航空用電子裝備和民用移動通信系統的一系列難題。碳化硅材料是寬禁帶半導體材料的另一個代表。碳化硅的工作溫度可達600℃，優異的特性使其在研製高溫、高頻、大功率、抗輻射器件以及紫外探測器、短波發光二極體等方面具有廣闊的應用前景。