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《沙特阿卜杜拉国王科技大学开发出一种新的超宽禁带半导体制造工艺》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： shenxiang
  • 发布时间：2021-04-07

  • 据TechXplore网3月30日消息，沙特阿卜杜拉国王科技大学开发出一种名为“热互扩散合金化”（Thermal Interdiffusion Alloying，TIA）的工艺，可制造包含铝、镓和铟等第III族元素的超宽禁带半导体。超宽禁带半导体是指禁带宽度大于3.4eV的半导体材料，它的击穿电场、热导率、电子迁移率等性能，以及耐高压、耐高温、高频、抗辐射的能力均优于现有大规模应用的宽禁带半导体材料，在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器和量子通信等领域具有广阔的应用前景。阿卜杜拉国王科技大学研究人员在蓝宝石衬底上制作常见的氧化镓样品，随后将样品加热到1000~1500摄氏度的高温，使氧化镓样品固化。加热过程中，铝原子会从蓝宝石缓慢扩散到氧化镓中，而镓原子沿相反的方向移动以混合并生成铝镓氧化物合金。更高的温度和更长的过程导致更多的相互扩散现象，从而生产出具有更高铝成分的合金。通过控制加热时间和温度，研究人员能在0~81%之间控制铝元素的占比，从而使超宽禁带半导体拥有不同的性能。

    论文信息：Che-Hao Liao et al. Wide range tunable bandgap and composition β-phase (AlGa)2O3 thin film by thermal annealing, Applied Physics Letters (2021)

    论文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0027067

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  • 《剖析超宽禁带半导体材料的机遇与挑战》
    • 来源专题：中科院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-06-10
    • 近代半导体技术虽然仅有七十多年的历史，但已经彻底改变了社会的发展。追溯历史，不难发现半导体技术的蓬勃发展归因于半导体材料自身特殊的物理性质。半导体材料作为重要的基础材料广泛应用于晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件等领域，已经发展成为衡量国家科技与国防实力的重要标志。同时，半导体器件由同质结、异质结转向基于量子阱、量子线、量子点器件的设计与制造，这一转向改变了半导体材料的发展方向，在传统第1、第2代半导体材料发展的同时，加速发展宽禁带第3代半导体材料的趋势。 目前，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第3代半导体材料迅猛发展，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高铁、能源互联网等重点领域发展的核心材料。而以氮化铝（AlN）、金刚石、氧化镓（Ga2O3）等为代表的超宽禁带半导体材料正凭借着更优异的高频功率特性、高温性能稳定和低能量损耗等优势引起了学术界的广泛关注，将逐渐发展成为支撑信息、能源、交通、先进制造、国防等领域发展的重点新材料。 一、概述 禁带宽度是指一个能带宽度单位是电子伏特(eV)，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关，禁带宽度越窄，材料的物性倾向于金属，反之则倾向于绝缘体。 现有半导体材料根据禁带宽度不同分为：窄禁带半导体材料（带隙小于2.3eV的锗、硅及III-V价元素等）、宽禁带半导体材料（带隙3.3～3.4eV的SiC、GaN）及超宽禁带半导体材料（带隙大于3.4eV的AlGaN/AlN、金刚石、Ga2O3及氮化硼（BN）等）。超宽禁带半导体(Ultra wide-band gap semiconductors，UWBG半导体)带隙均大于GaN（3.4eV），其击穿电场、热导率、电子迁移率等性质，以及耐高压、耐高温、高频、抗辐射能力均优于现有已经应用的宽禁带半导体材料。在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域有巨大的应用前景。 二、超宽禁带半导体分类及应用领域 表1中列出了AlN、金刚石、Ga2O3和BN等材料的重要物理性质及相应的应用范围。通过数据对比可知，4种不同的UWBG半导体材料特性不一致，每一种都至少在其中一个重要物理性质上表现不佳，如AlN和Ga2O3不能进行p型掺杂；金刚石衬底质量与尺寸受限等。这一特征从本质上决定了其应用领域及潜在应用需求的不同。 1.氮化铝 氮化铝（AlN）的直接带隙禁带最大宽度为6.2eV，相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料，应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体，其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调，使其成为重要的高性能发光材料。同时，AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此，AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。同时，用AlN晶体做高铝（Al）组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。此外，AlN具有很高的非线性光学系数，可应用于二次谐波发射器。 2.金刚石 金刚石，室温下间接带隙禁带宽度为5.47eV。金刚石属立方晶系，其特殊的晶体结构和强的碳-碳（C-C）键相互作用使其具有极高的击穿电场、极高的功率容量、极高热导率、低介电常数、高饱和载流子速度和迁移率、化学稳定性和发光特性。更为重要的是其各种优越性质的综合体现，使得金刚石成为最有潜力的宽带隙半导体材料，可应用于大功率电力电子器件、毫米波器件、高频电子器件、激光器器件及量子信息传输等。 3.氧化镓 Ga2O3禁带宽度为4.2～5.3eV（不同晶体结构导致带隙差别）。与宽禁带半导体材料相比，Ga2O3拥有高的击穿场强（8MV/cm）、低的能量损耗、高的热稳定性和化学稳定性等优势。在电力电子器件如场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、LED基板、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景，是一种极具应用潜力的多功能超宽禁带氧化物半导体材料。 Ga2O3有5种同分异构体，分别为α、β、γ、δ、ε，这5种晶相分别有各自的特点，这些性质决定在不同领域具有潜在应用： ①Ga2O3为刚玉结构，在M2O3结构中(其中M为金属，如：M=Cr,Fe,V,Ti,Al,In,Rh等)，以刚玉结构α相最为常见，而这些化合物往往具有丰富的物理性质，应用领域极为广泛。如α-Al2O3既是综合性能优良的红外窗口材料，也是铁电体材料及多种外延薄膜的衬底材料。α-Ga2O3可以与这些刚玉结构的α-M2O3材料形成连接固溶体化合物，结合它们各自的优点，制备功能化的器件。另外，α-Ga2O3带隙较其他结构相比要大，可达5.3eV。 ②β-Ga2O3属于单斜晶系，为阴离子密堆积结构，镓原子有两种不同的位置，分别被氧原子包围构成正四面体和正八面体，氧原子有3种不同的位置。相比于其他晶相，β-Ga2O3最显著的特点是具有优异的热和化学稳定性,在高温、高频、大功率电子器件如场效应晶体管等领域有着潜在的应用前景。由于合适的带隙（-4.9eV），β-Ga2O3还是理想的日盲光电探测器材料。β-Ga2O3具有高的紫外可见光透过率（对波长大于254nm透过），通过掺杂容易获得良好的n型导电，同时具有良好的电导率和高的光学透过率，可用作为深紫外透明导电电极。 目前，③γ-Ga2O3属于立方晶系，为有阳离子缺陷的尖晶石结构。在γ-Ga2O3中阴离子与阳离子的比值为3:2，具有高的光催化活性，能降解有机染料、分裂水产生氢气（H2）、还原二氧化碳（CO2），是一种高效的光催化剂。Mn2+掺杂容易获得γ-Ga2O3，并表现为室温铁磁性，是一种稀磁半导体材料。同时，自带阳离子缺陷的γ-Ga2O3还是高效的发光材料。 ④δ-Ga2O3属于立方晶系，具有本征铁电特性目前仅处于研究阶段。应用最广泛的为β-Ga2O3，已经开展相关的金属-半导体场效应晶体管(MESFET)研究工作。 4.BN BN禁带宽度为6.0eV，具有更低的介电常数（7.1eV）、更高的击穿电场（7～9MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上）和更高的热导率〔13W/(cm·K)，是Si和GaN的10倍〕。作为极端电子学材料，BN不仅可用于制备高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，在深紫外发光器件和深紫外探测器方面也有着广泛的应用前景，与GaN、SiC等传统宽带隙半导体材料一起构成了从蓝绿光到深紫外的全波段发光材料，是宽禁带半导体发展的新方向。 BN有3种同分异构体，分别为h-BN（六边形结构）、r-BN（菱形）、t-BN（涡轮式）。h-BN具有与石墨类似的层状结构，可以形成与石墨烯类似的二维原子晶体，具有极高的面内弹性模量、原子级平滑的表面、良好的机械性能等优点。同时，BN与石墨烯晶格失配很小（1.7%），石墨烯可以均匀紧密地铺展在氮化硼衬底上，有利于还原其极高的载流子迁移率，因此，氮化硼也被认为是石墨烯或其他二维原子晶体理想的衬底或栅介质材料。 三、超宽禁带半导体国内外研究进展 半导体材料的发展必然要依赖于后期器件的开发应用，而器件的开发应用同时受制于材料的发展。超宽禁带半导体材料具有巨大的应用前景，依赖于该类材料自身的发展。世界上很多国家已经把超宽禁带半导体材料作为宽禁带半导体的重要组成部分，将其相关研究列入重点发展计划。 美国从2002年开始启动“半导体紫外光光源”研究计划，投资4500万美元，主要任务是研究AlN等宽禁带化合物半导体晶体的生长技术及其在发光器件方面的应用。 日本于2004年也相应地启动了“高效率紫外发光半导体”研究计划，投资2.5亿日元。 2013年，美国奥巴马政府宣布成立“清洁能源制造创新学院”，该学院重点聚焦“宽禁带半导体电力电子器件”技术的研究和发展，以生产成本更低、性能更好的电子产品，满足未来的电力需求。 我国科学技术部于2015年通过国家重点研发计划对宽禁带半导体材料和衬底的研究给予近3000万元的资助，提升国内宽禁带半导体材料和器件的水平。2018年国家重点研发计划“战略先进电子材料”专项中布局了“第3代半导体材料与半导体照明”方向，其中包含超宽禁带半导体材料。 目前，国内外超宽禁带半导体材料相关研究均处于前沿研究阶段，并没有成熟的产品应用于市场。相关研究重点聚焦的方向主要为高品质单晶衬底和外延材料的生长、掺杂等，材料加工和器件制备的关键工艺突破。 1.氮化铝 AlN单晶衬底制备方法主要有金属Al直接氮化法、溶液法、氢化物气相外延法以及物理气相传输法（PVT法）等。由于受限于生长模式，目前报道的能获得大尺寸、高质量AlN单晶的方法，只有PVT法。日本东京农工大学、日本三重大学、日本德山公司和法国格勒诺布尔第一大学先后采用高温氢化物气相外延(HVPE)方法获得2英寸AlN厚膜和1英寸左右的AlN单晶。2007年住友电工采用PVT法生长出1英寸的AlN衬底材料。随后，美国CrystalIS公司、美国Hexatech公司和德国Crystal-N公司和IKZ先后报道成功制备出直径接近2英寸的AlN衬底，其中近75%的面积是单晶。Nitride-Crystal公司则先在SiC籽晶上生长AlN晶体，然后将其剥离下来，再用薄的AlN层作籽晶进行AlN晶体生长。他们在2010年报道研制出了2英寸的AlN单晶，但未见后续的产品报道。一直以来，国外对我国实施全部AlN单晶衬底材料禁运。 目前，国内只有中国科学院物理研究所（以下简称“中科院物理所”）、中国科学院半导体研究所（以下简称“中科院半导体所”）、中国电子科技集团公司第四十六研究所、山东大学和深圳大学等几家单位开展了PVT法生长AlN晶体的初步研究，但均未取得重大突破。中科院物理所通过设计锥形坩埚结构，实现扩径生长，成功将AlN晶体尺寸扩大到2cm，这是目前国内最大尺寸的AlN晶片。 2.金刚石 金刚石单晶沉底材料制备方法有高压高温（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法，其中CVD法又细分为：微波等离子体化学汽相沉积法（MP-CVD）、射频等离子体化学汽相沉积法（RF-CVD）和直流电弧等离子体喷射CVD法。MP-CVD技术被公认为是目前唯一能够实现高质量半导体单晶金刚石衬底和外延材料制备的手段。目前见于报道的单片非拼接同质外延单晶金刚石衬底最大为10mm×10mm。 2017年3月份，德国奥格斯堡大学的科学家取得重大突破，采用异质外延技术在硅衬底上生长出了直径约为90mm、厚度约为1.6mm的大尺寸金刚石衬底。国内中科院半导体所、中国科学院大学及北京科技大学等团队采用不同的CVD法制备出最大尺寸5mm×5mm、厚度超300μm金刚石单晶衬底。 通常器件结构并不是直接在衬底上制备，而是在衬底上生长较薄（厚度一般在微米量级）的高质量外延结构，以此高质量外延结构作为器件的功能层，而衬底的作用是实现外延结构的支撑作用。对于半导体金刚石的外延层生长包括不掺杂的高质量本征金刚石、p型掺杂金刚石和n型掺杂金刚石。可以通过向金刚石中掺入适当的元素实现ｐ型（空穴）和ｎ型（电子）导电，从而调控其电学性能，使其可以作为半导体材料广泛用于半导体器件中。 上述3种外延层通常采用MP-CVD方法生长。美、日、法等国均在高质量本征外延材料生长方面做出了很好的结果。其中，法国在MP-CVD设备制造、高质量外延材料生长方面做了很多工作。他们报道的采用MP-CVD方法生长的高纯度单晶金刚石的总缺陷浓度不超过200ppb，氮-空位中心的浓度不超过1ppb。高质量外延材料表面粗糙度在单原子量级，并在室温可见带边附近的激子发光。国内中科院半导体所在高质量本征金刚石材料生长方面取得了较好的结果，其室温电子和空穴迁移率分别达到4100cm2/（V·s）和3700cm2/（V·s），接近国际可见报道的最好结果，为国内最好结果。 3.β-Ga2O3 β-Ga2O3熔点较高（1820℃），高温制备过程中易分解挥发，制备的β-Ga2O3材料就会出现大量的氧空位，同时形成GaO、Ga2O、Ga等这些气体。目前，高质量β-Ga2O3单晶生长主要采用提拉法、导模法以及浮区法进行生长。德国莱布尼茨晶体生长研究所用提拉法，采用铱金坩埚，包括活动的铱金后加热器，生长出的晶体直径为18～22mm，长度为40～65mm，晶体的结晶特性较好。日本并木精密宝石株式会社采用导模法制备出5.08cm低缺陷β-Ga2O3单晶，并加工出48mm×50mm×0.5mm的晶片。日本早稻田大学采用FZ法生长出β-Ga2O3单晶。在单晶生长过程中通入适量O2抑制β-Ga2O3分解，晶体生长速度为1～5mm/h，直径最大为2.54cm，长度约为50mm，晶体生长方向、和。印度的RajaRamanna先进技术中心采用类似的方法，生长出直径5～8mm、长度40～50mm的低缺陷β-Ga2O3单晶，（400）面XRC半高宽约为0.028°。葡萄牙圣地亚哥大学采用激光加热浮区法生长出了离子掺杂和非掺的低缺陷β-Ga2O3晶体光纤。 目前，国内β-Ga2O3材料的研究还刚刚起步。山东大学采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法研究了β-Ga2O3薄膜的生长及其光学性质。北京邮电大学、电子科技大学、西安电子科技大学、中山大学也分别独立开展了β-Ga2O3薄膜及日盲紫外探测器的研究，已取得了一些重要的研究成果。 国内外对Ga2O3基大功率晶体管的研究还处于探索阶段，主要集中在单极型氧化镓功率器件。Ga2O3沟道的掺杂工艺、器件结构、电极的材料、电极的结构和高质量的绝缘栅层诸多因素对Ga2O3基功率晶体管的性能至关重要。日本通信研究机构的M.Higashiwaki研究小组在2012年使用Ga2O3单晶制备了MESFET。该MESFET器件在栅极电压为+2V时的最大漏极电流为15mA；施加-30V栅极电压可以使得漏极的截止电流降低到3μA，漏电流开/关比可达到104；三端子击穿电压超过了250V，表现出良好的耐压性。 2013年，他们改进了器件的栅极电压调控能力，并有效降低了器件的泄漏电流,提高器件漏电流开/关比。此外，2006年日本K.Matsuzaki研究小组在(0001)晶面α-Al2O3衬底上采用激光脉冲沉积生长了Sn掺杂的Ga2O3薄膜，并通过调节生长温度、气压调制该薄膜的导电性。他们利用导电性合适的薄膜作为n型沟道材料试制了MISFET，该MISFET器件表现出了良好的栅极电压调控性。同时，采用SiO2薄膜作为绝缘层、p型硅作为栅电极试制了MOSFET。国内研究团队未见系统报道Ga2O3基晶体管相关研究。 4.BN BN单晶薄膜的方法主要包括：CVD，分子束外延（MBE），离子束溅射沉积（IBSD）等。BN薄膜生长常用衬底包括多晶铜（Cu）箔、Ni箔、单晶Ni以及蓝宝石衬底等。随着二维氮化硼研究的兴起，使得众多研究人员采用CVD技术在多晶Cu箔或Ni箔衬底上制备氮化硼材料，并取得了许多重要进展。 美国康奈尔大学通过提高限域空间中Cu的蒸气压，获得了300μm的氮化硼单晶畴。新加坡南洋理工大学的Tay等对Cu箔表面进行化学抛光有效降低了衬底表面粗糙度，制备出面积35μm2的氮化硼单晶。 利用MBE技术，日本NTT研究所在N（i111）衬底上制备出了氮化硼薄膜，表面粗糙度小于1.0nm。鉴于多晶金属衬底只能生长多晶氮化硼薄膜，人们也尝试采用单晶衬底生长氮化硼。 2016年韩国首尔国立大学的Oh等利用单晶Ni(111)作为衬底制备氮化硼薄膜，实现了厘米尺寸氮化硼薄膜的外延生长。与多晶衬底相比，单晶衬底上可以制备得到单晶氮化硼薄膜，但单晶金属价格昂贵，且尺寸有限（最大尺寸仅2cm），限制了氮化硼材料的大面积生长与应用。除金属衬底外，蓝宝石也是制备氮化硼薄膜的另一常用衬底，其尺寸可以满足将来制备大面积氮化硼薄膜的需要。 早在2008年日本NTT研究所的Kobayashi等就尝试利用CVD技术在蓝宝石衬底上外延生长氮化硼薄膜。 2012年瑞典林雪平大学的Chubarov等利用CVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了菱形结构氮化硼。 2016年法国国家科学研究中心Ougazzaden小组和韩国蔚山国立科技研究所在蓝宝石衬底上生长了2英寸的氮化硼薄膜。 国内从事氮化硼薄膜相关研究单位包括：北京大学、中科院半导体所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院深圳先进技术研究院、上海交通大学、兰州大学以及电子科技大学等。 通过变化不同衬底和改进成膜方法，国内科研团队可制备出尺寸在72～130μm的氮化硼单晶畴，与国际先进水平还有一些差距。在光电子器件应用方面，超宽带隙氮化硼由于具有高吸收系数、高介电强度、良好的稳定性等特点，是制作深紫外探测器的极佳材料，但由于制备高质量氮化硼材料相对困难，氮化硼器件研究相对较少。 2012年，美国德州理工大学江红星小组利用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了氮化硼薄膜，并制作了金属-半导体-金属（MSM）结构的氮化硼深紫外探测器，其截止波长为230nm。2016年，美国PuertoRico大学的Sajjad等利用脉冲激光沉积技术在Mo衬底上制备了少数层氮化硼纳米片，并演示了基于80nm厚氮化硼纳米片的深紫外光探测器。法国的Ougazzaden小组采用类似方法制备了氮化硼深紫外探测器，器件在205nm的入射光下表现出稳定的响应特性，但器件开关比仅100倍。 四、超宽禁带半导体挑战与机遇 超宽禁带半导体材料正处于前沿研究阶段，高品质、大尺寸衬底材料的制备是近期技术突破的重点，基于高品质衬底生长的外延材料将成为器件制备的基础，攻克器件制备工艺技术难点将为超宽禁带半导体广泛应用提供可能。作为最具有发展潜力和应用前景的新型半导体材料，超宽禁带半导体的发展面临着重大的挑战与机遇。 1.超宽禁带半导体发展挑战 （1）突破高品质、大尺衬底材料生长工艺，发展高质量外延材料高品质、大尺寸衬底材料的缺乏，不仅大大限制外延材料的发展，同时导致器件制备及应用缓慢。AlN、金刚石现有国内外已经报道的技术水平难以获得高质量的单晶衬底。 目前普遍采用异质外延衬底、衬底拼接等方法得到的大尺寸外延材料。这种异质外延会导致制备的器件内部缺陷过多，大大降低器件的工作效率和使用寿命，更无法大批量生产，严重阻碍了该类超宽禁带半导体材料的应用。而Ga2O3材料的低缺陷单晶生长较为困难，由于Ga2O3材料具有高温（T＞1500K）挥发的特性，极易导致晶体生长过程中的不稳定性。当处于熔点之下的高温时，Ga2O3晶体就会出现大量的氧空位(VO)，同时形成氧化镓（GaO）、氧化二镓（Ga2O）以及镓（Ga）等这些气体，严重腐蚀铱金坩埚，并且易于产生挛晶、镶嵌结构、螺位错缺陷等。大尺寸高质量BN单晶薄膜的制备仍然颇具挑战，尚无在相对低温下，制备大尺寸、高质量、成本低的BN薄膜。 高质量、大尺寸衬底材料的制备不仅要突破现有制备技术和方法，用以调控材料生长的衬底直径、缺陷、掺杂等。同时，还需要改进或开发材料制备的相关设备和工艺，在合成、加工过程中寻找克服材料本身低导热系数的有效途径。这一突破将大大推进超宽禁带半导体材料整个链条的发展，为它的应用奠定基础。 （2）超宽禁带半导体材料掺杂不对称，掺杂困难 超宽禁带半导体材料需要通过掺杂来大幅度改善本征的导电性，并受到掺杂剂的固溶度、掺杂剂的电离能、杂质或缺陷的补偿等因素的限制。同时，与其他半导体材料相比存在较大的禁带宽度，导致掺杂不对称的问题，很难同时实现高质量的p型和n型掺杂。例如，AlN的n型掺杂已经实现，而p型掺杂只停留在理论阶段，尚无有效实验手段实现。金刚石的p型和n型掺杂都存在很大的挑战，尤以n型掺杂最为困难，主要是由于掺杂原子不易掺入金刚石晶格，即使掺入的杂质原子，能级太深，不易激活，不能有效提供自由载体。Ga2O3稳定P型掺杂暂时无法实现。 通过不断的改进和开发新型掺杂剂，调节掺杂剂相关特性来实现改善本征导电性的，解决相应的掺杂不对称等问题。掺杂作为超宽禁带半导体器件开发的关键性问题，被视为该类材料的研究难点和突破重点，是器件应用发展的必要条件。 （3）器件制备依赖高质量外延材料与有效掺杂 通常器件结构并不是直接在衬底上制备，而是在衬底上生长较薄（厚度一般在微米量级）的高质量外延结构，以此高质量外延结构作为器件的功能层，而衬底的作用是实现外延结构的支撑作用。通过向材料中掺入适当的元素实现ｐ型（空穴）和ｎ型（电子）导电，从而调控其电学性能，使超宽禁带半导体材料广泛用于高压、高频、射频等光电器件应用中。 然而，现状是该类材料的大尺寸高质量衬底制备困难，外延材料发展缓慢和掺杂困难等，导致现有器件性能较差、制备成本高昂、处于实验室研究探索阶段，更无法将超宽禁带半导体材料优异特性应用到相关潜在应用的领域。即使现有报道已经报道了相关器件已研制成功，但是，距离应用还有很多需要解决的问题。如已报道的Ga2O3器件，由于Ga2O3材料本身导热性差，加工成器件后自身的温度就会升高，致使产生了负输出电导，影响了高压器件的使用。而基于BN薄膜材料制作的BN探测器的光响应度较低，无法达到使用要求。 器件性能和封装工艺直接关系到后期的应用。加快发展器件制备所需的大尺寸高品质衬底及外延材料，不断开发新型掺杂工艺，从而从根本上提高器件性能，扩大超宽禁带半导体应用领域。 2.超宽禁带半导体发展机遇 超宽禁带半导体衬底材料与器件研发仍然处于科学研究阶段。国内外相关超宽禁带半导体研究人充分认识到超宽禁带半导体材料的应用价值和前景，积极频繁的开展相关学术交流，期望在超宽禁带半导体材瓶颈问题上取得重大的突破。虽然，我国超宽禁带半导体材料相关研究相比日本和美国等发达国家开始较晚，但是现有超宽禁带半导体材料单晶衬底的制备技术和设备水平已经接近国际先进水平，国际竞争中已具备一定的基础。 美、日等国把超宽禁带半导体衬底材料与器件研发列入重点关注领域，相关成果更受到军方关注。我国领域专家学者在未来宽禁带半导体材料发展方向上已经作出详实的规划。突破超宽禁带半导体材料技术瓶颈将使我国在下一代半导体材料发展中占领技术高地，加速推进超宽禁带半导体相关应用发展和产业的形成。 五、结语 展望未来，超宽带半导体材料凭借着更高的禁带宽度、热导率以及相对稳定性等特点，在新一代深紫外光电器件、高压大功率电力电子器件、射频器件等国防科技及重大关键应用领域具有显著的优势和巨大的发展潜力。超宽禁带半导体研究与开发应用符合我国发展战略，对于我国抢占新一轮技术制高点、跻身国际科技强国，掌握关键技术具有重要意义。
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  • 《抢占“芯”一轮材料技术制高点 超宽禁带半导体材料的机遇与挑战》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-07-15
    • 近代半导体技术虽然仅有七十多年的历史，但已经彻底改变了社会的发展。追溯历史，不难发现半导体技术的蓬勃发展归因于半导体材料自身特殊的物理性质。半导体材料作为重要的基础材料广泛应用于晶体管、 集成电路、 电力电子器件、 光电子器件等领域，已经发展成为衡量国家科技与国防实力的重要标志。同时，半导体器件由同质结、 异质结转向基于量子阱、 量子线、 量子点器件的设计与制造，这一转向改变了半导体材料的发展方向，在传统d第1、第2代半导体材料发展的同时，加速发展宽禁带第3代半导体材料的趋势。 目前，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第3代半导体材料迅猛发展，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高铁、能源互联网等重点领域发展的核心材料。而以氮化铝（AlN）、金刚石、氧化镓（Ga2O3）等为代表的超宽禁带半导体材料正凭借着更优异的高频功率特性、高温性能稳定和低能量损耗等优势引起了学术界的广泛关注，将逐渐发展成为支撑信息、 能源、 交通、 先进制造、 国防等领域发展的重点新材料。 一、概述 禁带宽度是指一个能带宽度﹝单位是电子伏特(eV)﹞，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关，禁带宽度越窄，材料的物性倾向于金属，反之则倾向于绝缘体。现有半导体材料根据禁带宽度不同分为：窄禁带半导体材料﹝带隙小于2.3eV的锗、硅及III-V价元素等﹞、宽禁带半导体材料（带隙3.3-3.4eV的SiC、GaN）及超宽禁带半导体材料﹝带隙大于3.4 eV的AlGaN /AlN、金刚石、Ga2O3及氮化硼（BN）等﹞。 超宽禁带半导体(Ultrawide-bandgap semiconductors，半导体)带隙均大于GaN（3.4eV），其击穿电场、热导率、电子迁移率等性质，以及耐高压、耐高温、高频、抗辐射能力均优于现有已经应用的宽禁带半导体材料。在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域有巨大的应用前景。 二、超宽禁带半导体分类及应用领域 表1中列出了AlN、金刚石、Ga2O3和BN等材料的重要物理性质及相应的应用范围。通过数据对比可知，4种不同的UWBG半导体材料特性不一致，每一种都至少在其中一个重要物理性质上表现不佳，如AlN和Ga2O3不能进行p型掺杂；金刚石衬底质量与尺寸受限等。这一特征从本质上决定了其应用领域及潜在应用需求的不同。 1. 氮化铝 氮化铝（AlN）的直接带隙禁带最大宽度为6.2 eV，相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料，应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体，其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调，使其成为重要的高性能发光材料。同时，AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此，AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。同时，用AlN晶体做高铝（Al）组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。此外，AlN具有很高的非线性光学系数，可应用于二次谐波发射器。 2. 金刚石 金刚石，室温下间接带隙禁带宽度为5.47 eV。金刚石属立方晶系，其特殊的晶体结构和强的碳-碳（C-C）键相互作用使其具有极高的击穿电场、极高的功率容量、极高热导率、低介电常数、高饱和载流子速度和迁移率、化学稳定性和发光特性。更为重要的是其各种优越性质的综合体现，使得金刚石成为最有潜力的宽带隙半导体材料，可应用于大功率电力电子器件、毫米波器件、高频电子器件、激光器器件及量子信息传输等。 3. 氧化镓 Ga2O3禁带宽度为 4.2～5.3 eV（不同晶体结构导致带隙差别）。与宽禁带半导体材料相比，Ga2O3拥有高的击穿场强（8 MV/cm）、低的能量损耗、高的热稳定性和化学稳定性等优势。在电力电子器件如场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、LED 基板、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景，是一种极具应用潜力的多功能超宽禁带氧化物半导体材料。 Ga2O3有5种同分异构体，分别为α、 β、γ、δ、ε，这5种晶相分别有各自的特点，这些性质决定在不同领域具有潜在应用：1 Ga2O3为刚玉结构，在 M2O3结构中(其中 M 为金属，如：M = Cr, Fe, V, Ti, Al, In, Rh 等)，以刚玉结构α相最为常见，而这些化合物往往具有丰富的物理性质，应用领域极为广泛。如 α-Al2O3既是综合性能优良的红外窗口材料，也是铁电体材料及多种外延薄膜的衬底材料。α- Ga2O3可以与这些刚玉结构的α-M2O3材料形成连接固溶体化合物，结合它们各自的优点，制备功能化的器件。 另外，α- Ga2O3带隙较其他结构相比要大，可达5.3 eV。2β- Ga2O3属于单斜晶系，为阴离子密堆积结构，镓原子有两种不同的位置，分别被氧原子包围构成正四面体和正八面体，氧原子有3种不同的位置。相比于其他晶相，β- Ga2O3最显著的特点是具有优异的热和化学稳定性,在高温、高频、大功率电子器件如场效应晶体管等领域有着潜在的应用前景。由于合适的带隙（-4.9eV），β- Ga2O3还是理想的日盲光电探测器材料。β- Ga2O3具有高的紫外可见光透过率（对波长大于 254 nm 透过），通过掺杂容易获得良好的 n 型导电，同时具有良好的电导率和高的光学透过率，可用作为深紫外透明导电电极。 目前，应用最广泛的为β- Ga2O3，已经开展相关的金属-半导体场效应晶体管(MESFET)研究工作。3γ- Ga2O3属于立方晶系，为有阳离子缺陷的尖晶石结构。在γ- Ga2O3中阴离子与阳离子的比值为 3:2，具有高的光催化活性，能降解有机染料、分裂水产生氢气（H2）、还原二氧化碳（CO2），是一种高效的光催化剂。Mn 离子掺杂容易获得 γ- Ga2O3，并表现为室温铁磁性，是一种稀磁半导体材料。同时，自带阳离子缺陷的γ- Ga2O3还是高效的发光材料。4δ- Ga2O3属于立方晶系，具有本征铁电特性。目前仅处于研究阶段。 4.BN BN禁带宽度为6.0 eV，具有更低的介电常数（7.1 eV）、更高的击穿电场（7～9 MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上）和更高的热导率〔13 W/(cm K)，是Si和GaN的10倍〕。作为极端电子学材料，BN不仅可用于制备高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，在深紫外发光器件和深紫外探测器方面也有着广泛的应用前景，与GaN、SiC等传统宽带隙半导体材料一起构成了从蓝绿光到深紫外的全波段发光材料，是宽禁带半导体发展的新方向。 BN有3种同分异构体，分别为h-BN（六边形结构）、r-BN（菱形）、t-BN（涡轮式）。h-BN具有与石墨类似的层状结构，可以形成与石墨烯类似的二维原子晶体，具有极高的面内弹性模量、原子级平滑的表面、良好的机械性能等优点。同时，氮化硼与石墨烯晶格失配很小（1.7 %），石墨烯可以均匀紧密地铺展在氮化硼衬底上，有利于还原其极高的载流子迁移率，因此，BN也被认为是石墨烯或其他二维原子晶体理想的衬底或栅介质材料。 三、超宽禁带半导体国内外研究进展 半导体材料的发展必然要依赖于后期器件的开发应用，而器件的开发应用同时受制于材料的发展。超宽禁带半导体材料具有巨大的应用前景，依赖于该类材料自身的发展。世界上很多国家已经把超宽禁带半导体材料作为宽禁带半导体的重要组成部分，将其相关研究列入重点发展计划。 美国从2002年开始启动“半导体紫外光光源”研究计划，投资4 500万美元，主要任务是研究AlN等宽禁带化合物半导体晶体的生长技术及其在发光器件方面的应用。 日本于2004年也相应地启动了“高效率紫外发光半导体”研究计划，投资2.5亿日元。 2013年，美国奥巴马政府宣布成立“清洁能源制造创新学院”，该学院重点聚焦“宽禁带半导体电力电子器件”技术的研究和发展，以生产成本更低、性能更好的电子产品，满足未来的电力需求。 我国科学技术部于2015年通过国家重点研发计划对宽禁带半导体材料和衬底的研究给予近3 000万元的资助，提升国内宽禁带半导体材料和器件的水平。2018年国家重点研发计划“战略先进电子材料”专项中布局了“第3代半导体材料与半导体照明”方向，其中包含超宽禁带半导体材料。 目前，国内外超宽禁带半导体材料相关研究均处于前沿研究阶段，并没有成熟的产品应用于市场。相关研究重点聚焦的方向主要为高品质单晶衬底和外延材料的生长、掺杂等，材料加工和器件制备的关键工艺突破。 1. 氮化铝 AlN单晶衬底制备方法主要有金属Al直接氮化法、溶液法、氢化物气相外延法以及物理气相传输法（PVT法）等。由于受限于生长模式，目前报道的能获得大尺寸、高质量AlN单晶的方法，只有PVT法。日本东京农工大学、日本三重大学、日本德山公司和法国格勒诺布尔第一大学先后采用高温氢化物气相外延(HVPE)方法获得2英寸AlN厚膜和1英寸左右的AlN单晶。2007年住友电工采用PVT法生长出1英寸的AlN衬底材料。随后，美国Crystal IS公司、美国Hexatech公司和德国Crystal-N公司和IKZ先后报道成功制备出直径接近2英寸的AlN衬底，其中近75%的面积是单晶。Nitride-Crystal公司则先在SiC籽晶上生长AlN晶体，然后将其剥离下来，再用薄的AlN层作籽晶进行AlN晶体生长。他们在2010 年报道研制出了2 英寸的AlN单晶，但未见后续的产品报道。一直以来，国外对我国实施全部AlN单晶衬底材料禁运。 目前，国内只有中国科学院物理研究所（以下简称“中科院物理所”）、中国科学院半导体研究所（以下简称“中科院半导体所”）、中国电子科技集团公司第四十六研究所、山东大学和深圳大学等几家单位开展了PVT法生长AlN晶体的初步研究，但均未取得重大突破。中科院物理所通过设计锥形坩埚结构，实现扩径生长，成功将AlN晶体尺寸扩大到2 cm，这是目前国内最大尺寸的AlN晶片。 2. 金刚石 金刚石单晶沉底材料制备方法有高压高温（HPHT）法和化学气相沉积（CVD）法，其中CVD法又细分为：微波等离子体化学汽相沉积法（MP-CVD）、射频等离子体化学汽相沉积法（RF-CVD）和直流电弧等离子体喷射CVD法。MP-CVD技术被公认为是目前唯一能够实现高质量半导体单晶金刚石衬底和外延材料制备的手段。目前见于报道的单片非拼接同质外延单晶金刚石衬底最大为10mm×10mm。2017年3月份，德国奥格斯堡大学的科学家取得重大突破，采用异质外延技术在硅衬底上生长出了直径约为90mm、厚度约为1.6mm的大尺寸金刚石衬底。国内中科院半导体所、中国科学院大学及北京科技大学等团队采用不同的CVD法制备出最大尺寸5mm×5mm、厚度超300μm金刚石单晶衬底。 通常器件结构并不是直接在衬底上制备，而是在衬底上生长较薄（厚度一般在微米量级）的高质量外延结构，以此高质量外延结构作为器件的功能层，而衬底的作用是实现外延结构的支撑作用。对于半导体金刚石的外延层生长包括不掺杂的高质量本征金刚石、p型掺杂金刚石和n型掺杂金刚石。可以通过向金刚石中掺入适当的元素实现ｐ型（空穴）和ｎ型（电子）导电，从而调控其电学性能，使其可以作为半导体材料广泛用于半导体器件中。 上述3种外延层通常采用MP-CVD方法生长。美、日、法等国均在高质量本征外延材料生长方面做出了很好的结果。其中，法国在MP-CVD设备制造、高质量外延材料生长方面做了很多工作。他们报道的采用MP-CVD方法生长的高纯度单晶金刚石的总缺陷浓度不超过200 ppb，氮-空位中心的浓度不超过1 ppb。高质量外延材料表面粗糙度在单原子量级，并在室温可见带边附近的激子发光。国内中科院半导体所在高质量本征金刚石材料生长方面取得了较好的结果，其室温电子和空穴迁移率分别达到4100 cm2/（V·s）和3700 cm2/（V·s），接近国际可见报道的最好结果，为国内最好结果。 3. β-Ga2O3 β-Ga2O3熔点较高（1820 ℃），高温制备过程中易分解挥发，制备的β-Ga2O3材料就会出现大量的氧空位，同时形成GaO、Ga2O、Ga等这些气体。 目前，高质量β- Ga2O3单晶生长主要采用提拉法、导模法以及浮区法进行生长。德国莱布尼茨晶体生长研究所用提拉法，采用铱金坩埚，包括活动的铱金后加热器，生长出的晶体直径为18～22mm，长度为 40～65mm，晶体的结晶特性较好。 日本并木精密宝石株式会社采用导模法制备出5.08 cm低缺陷β- Ga2O3单晶，并加工出48mm×50mm×0.5mm的晶片。日本早稻田大学采用 FZ 法生长出β- Ga2O3单晶。在单晶生长过程中通入适量 O2抑制β- Ga2O3分解，晶体生长速度为1～5mm/h，直径最大为 2.54cm，长度约为 50mm，晶体生长方向、和。 印度的 Raja Ramanna先进技术中心采用类似的方法，生长出直径 5～8mm、长度 40～50mm 的低缺陷β- Ga2O3单晶，（400）面 XRC 半高宽约为 0.028°。 葡萄牙圣地亚哥大学采用激光加热浮区法生长出了离子掺杂和非掺的低缺陷β-Ga2O3晶体光纤。 目前，国内β- Ga2O3材料的研究还刚刚起步。山东大学采用金属有机化学气相沉积（MOCVD） 法研究了β- Ga2O3薄膜的生长及其光学性质。北京邮电大学、电子科技大学、西安电子科技大学、中山大学也分别独立开展了β- Ga2O3薄膜及日盲紫外探测器的研究，已取得了一些重要的研究成果。 国内外对Ga2O3基大功率晶体管的研究还处于探索阶段，主要集中在单极型氧化镓功率器件。Ga2O3沟道的掺杂工艺、器件结构、电极的材料、电极的结构和高质量的绝缘栅层诸多因素对Ga2O3基功率晶体管的性能至关重要。日本通信研究机构的 M. Higashiwaki 研究小组在2012年使用Ga2O3单晶制备了 MESFET。该MESFET器件在栅极电压为+2 V时的最大漏极电流为15 mA；施加-30V栅极电压可以使得漏极的截止电流降低到 3 μA，漏电流开/关比可达到 104；三端子击穿电压超过了 250 V，表现出良好的耐压性。2013 年，他们改进了器件的栅极电压调控能力，并有效降低了器件的泄漏电流,提高器件漏电流开/关比。 此外， 2006 年日本K. Matsuzaki 研究小组在 (0001) 晶面α-Al2O3 衬底上采用激光脉冲沉积生长了Sn 掺杂的Ga2O3薄膜，并通过调节生长温度、气压调制该薄膜的导电性。他们利用导电性合适的薄膜作为 n型沟道材料试制了MISFET，该MISFET器件表现出了良好的栅极电压调控性。同时，采用SiO2薄膜作为绝缘层、p型硅作为栅电极试制了MOSFET。国内研究团队未见系统报道Ga2O3基晶体管相关研究。 4. BN BN单晶薄膜的方法主要包括：CVD，分子束外延（MBE），离子束溅射沉积（IBSD）等。BN薄膜生长常用衬底包括多晶铜（Cu）箔、Ni箔、单晶Ni以及蓝宝石衬底等。随着二维氮化硼研究的兴起，使得众多研究人员采用CVD技术在多晶Cu箔或Ni箔衬底上制备氮化硼材料，并取得了许多重要进展。 美国康奈尔大学通过提高限域空间中Cu的蒸气压，获得了300 μm的氮化硼单晶畴。 新加坡南洋理工大学的Tay等对Cu箔表面进行化学抛光有效降低了衬底表面粗糙度，制备出面积35 μm2的氮化硼单晶。利用MBE技术，日本NTT研究所在Ni（111）衬底上制备出了氮化硼薄膜，表面粗糙度小于1.0 nm。 鉴于多晶金属衬底只能生长多晶氮化硼薄膜，人们也尝试采用单晶衬底生长氮化硼。2016年韩国首尔国立大学的Oh等利用单晶Ni (111)作为衬底制备氮化硼薄膜，实现了厘米尺寸氮化硼薄膜的外延生长。与多晶衬底相比，单晶衬底上可以制备得到单晶氮化硼薄膜，但单晶金属价格昂贵，且尺寸有限（最大尺寸仅2cm），限制了氮化硼材料的大面积生长与应用。 除金属衬底外，蓝宝石也是制备氮化硼薄膜的另一常用衬底，其尺寸可以满足将来制备大面积氮化硼薄膜的需要。早在2008年日本NTT研究所的Kobayashi等就尝试利用CVD技术在蓝宝石衬底上外延生长氮化硼薄膜。2012年瑞典林雪平大学的Chubarov等利用CVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了菱形结构氮化硼。2016年法国国家科学研究中心Ougazzaden小组和韩国蔚山国立科技研究所在蓝宝石衬底上生长了2英寸的氮化硼薄膜。 国内从事氮化硼薄膜相关研究单位包括：北京大学、中科院半导体所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院深圳先进技术研究院、上海交通大学、兰州大学以及电子科技大学等。通过变化不同衬底和改进成膜方法，国内科研团队可制备出尺寸在72～130 μm的氮化硼单晶畴，与国际先进水平还有一些差距。 在光电子器件应用方面，超宽带隙氮化硼由于具有高吸收系数、高介电强度、良好的稳定性等特点，是制作深紫外探测器的极佳材料，但由于制备高质量氮化硼材料相对困难，氮化硼器件研究相对较少。2012年，美国德州理工大学江红星小组利用MOCVD技术在蓝宝石衬底上外延生长了氮化硼薄膜，并制作了金属-半导体-金属（MSM）结构的氮化硼深紫外探测器，其截止波长为230 nm。2016年，美国Puerto Rico大学的Sajjad等利用脉冲激光沉积技术在Mo衬底上制备了少数层氮化硼纳米片，并演示了基于80 nm厚氮化硼纳米片的深紫外光探测器。法国的Ougazzaden小组采用类似方法制备了氮化硼深紫外探测器，器件在205 nm的入射光下表现出稳定的响应特性，但器件开关比仅100倍。 四、超宽禁带半导体挑战与机遇 超宽禁带半导体材料正处于前沿研究阶段，高品质、大尺寸衬底材料的制备是近期技术突破的重点，基于高品质衬底生长的外延材料将成为器件制备的基础，攻克器件制备工艺技术难点将为超宽禁带半导体广泛应用提供可能。作为最具有发展潜力和应用前景的新型半导体材料，超宽禁带半导体的发展面临着重大的挑战与机遇。 1.超宽禁带半导体发展挑战 （1）突破高品质、大尺衬底材料生长工艺，发展高质量外延材料 高品质、大尺寸衬底材料的缺乏，不仅大大限制外延材料的发展，同时导致器件制备及应用缓慢。AlN、金刚石现有国内外已经报道的技术水平难以获得高质量的单晶衬底。目前普遍采用异质外延衬底、衬底拼接等方法得到的大尺寸外延材料。这种异质外延会导致制备的器件内部缺陷过多，大大降低器件的工作效率和使用寿命，更无法大批量生产，严重阻碍了该类超宽禁带半导体材料的应用。而Ga2O3材料的低缺陷单晶生长较为困难，由于Ga2O3材料具有高温（T＞1 500K）挥发的特性，极易导致晶体生长过程中的不稳定性。当处于熔点之下的高温时，Ga2O3晶体就会出现大量的氧空位(VO)，同时形成氧化镓（GaO）、氧化二镓（Ga2O）以及镓（Ga）等这些气体，严重腐蚀铱金坩埚，并且易于产生挛晶、镶嵌结构、螺位错缺陷等。大尺寸高质量BN单晶薄膜的制备仍然颇具挑战，尚无在相对低温下，制备大尺寸、高质量、成本低的BN薄膜。 高质量、大尺寸衬底材料的制备不仅要突破现有制备技术和方法，用以调控材料生长的衬底直径、缺陷、掺杂等。同时，还需要改进或开发材料制备的相关设备和工艺，在合成、加工过程中寻找克服材料本身低导热系数的有效途径。这一突破将大大推进超宽禁带半导体材料整个链条的发展，为它的应用奠定基础。 （2） 超宽禁带半导体材料掺杂不对称，掺杂困难 超宽禁带半导体材料需要通过掺杂来大幅度改善本征的导电性，并受到掺杂剂的固溶度、掺杂剂的电离能、杂质或缺陷的补偿等因素的限制。同时，与其他半导体材料相比存在较大的禁带宽度，导致掺杂不对称的问题，很难同时实现高质量的p型和n型掺杂。例如，AlN的n型掺杂已经实现，而p型掺杂只停留在理论阶段，尚无有效实验手段实现。金刚石的p型和n型掺杂都存在很大的挑战，尤以n型掺杂最为困难，主要是由于掺杂原子不易掺入金刚石晶格，即使掺入的杂质原子，能级太深，不易激活，不能有效提供自由载体。Ga2O3稳定P型掺杂暂时无法实现。 通过不断的改进和开发新型掺杂剂，调节掺杂剂相关特性来实现改善本征导电性的，解决相应的掺杂不对称等问题。掺杂作为超宽禁带半导体器件开发的关键性问题，被视为该类材料的研究难点和突破重点，是器件应用发展的必要条件。 （3）器件制备依赖高质量外延材料与有效掺杂 通常器件结构并不是直接在衬底上制备，而是在衬底上生长较薄（厚度一般在微米量级）的高质量外延结构，以此高质量外延结构作为器件的功能层，而衬底的作用是实现外延结构的支撑作用。通过向材料中掺入适当的元素实现ｐ型（空穴）和ｎ型（电子）导电，从而调控其电学性能，使超宽禁带半导体材料广泛用于高压、高频、射频等光电器件应用中。然而，现状是该类材料的大尺寸高质量衬底制备困难，外延材料发展缓慢和掺杂困难等，导致现有器件性能较差、制备成本高昂、处于实验室研究探索阶段，更无法将超宽禁带半导体材料优异特性应用到相关潜在应用的领域。即使现有报道已经报道了相关器件已研制成功，但是，距离应用还有很多需要解决的问题。如已报道的Ga2O3器件，由于Ga2O3材料本身导热性差，加工成器件后自身的温度就会升高，致使产生了负输出电导，影响了高压器件的使用。而基于BN 薄膜材料制作的BN探测器的光响应度较低，无法达到使用要求。 器件性能和封装工艺直接关系到后期的应用。加快发展器件制备所需的大尺寸高品质衬底及外延材料，不断开发新型掺杂工艺，从而从根本上提高器件性能，扩大超宽禁带半导体应用领域。 2.超宽禁带半导体发展机遇 超宽禁带半导体衬底材料与器件研发仍然处于科学研究阶段。国内外相关超宽禁带半导体研究人充分认识到超宽禁带半导体材料的应用价值和前景，积极频繁的开展相关学术交流，期望在超宽禁带半导体材瓶颈问题上取得重大的突破。虽然，我国超宽禁带半导体材料相关研究相比日本和美国等发达国家开始较晚，但是现有超宽禁带半导体材料单晶衬底的制备技术和设备水平已经接近国际先进水平，国际竞争中已具备一定的基础。美、日等国把超宽禁带半导体衬底材料与器件研发列入重点关注领域，相关成果更受到军方关注。我国领域专家学者在未来宽禁带半导体材料发展方向上已经作出详实的规划。突破超宽禁带半导体材料技术瓶颈将使我国在下一代半导体材料发展中占领技术高地，加速推进超宽禁带半导体相关应用发展和产业的形成。 五、结语 展望未来，超宽带半导体材料凭借着更高的禁带宽度、热导率以及相对稳定性等特点，在新一代深紫外光电器件、高压大功率电力电子器件、射频器件等国防科技及重大关键应用领域具有显著的优势和巨大的发展潜力。超宽禁带半导体研究与开发应用符合我国发展战略，对于我国抢占新一轮技术制高点、跻身国际科技强国，掌握关键技术具有重要意义。
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