第三代半导体光电应用知多少
第3代半导体材料以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO)和氮化铝(AlN)等宽禁带化合物半导体材料为代表。首先,在电学性能上,宽禁带半导体材料具有击穿电压高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等特性,故能实现更高的输出功率,如功率密度可达到GaAs的10倍,最高工作电压达到30~100V甚至更大,可有效提高系统效率,因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。
另外,在光学性能上,以氮化物体系为例,其光学禁带宽度可由0.77eV(InN)到6.28eV(AlN)连续变化,做到从红外光到紫外光波段的完整覆盖。因而以第3代半导体为基础的光电器件理论上可以做到198~1 610nm的光谱覆盖。其典型应用是短波长激光器、白光LED和微波功率器件。在光电子领域和微电子领域,相比前2代半导体更具优势,广泛应用于半导体照明、电力电子及航空航天等领域。
第3代半导体具有优良的物理特性,并且其科研和工业生产水平正在飞速进步。但是问题也是显而易见的。由于材料制备难度较高,获得高质量的单晶结构非常困难。并且由于III族氮化物的纤锌矿结构,其材料内部存在着强大的自发极化及压电极化场。由于III族氮化物多有较大的光折射率,产生的光在界面处易发生全反射,难以反射到空气中。镁(Mg)掺杂的p型GaN的功函数高达6.5eV,如何选择电极材料以制备优质的欧姆接触电极同样是一个难点。这些因素都加大了制备高效光电器件的难度。
正因为材料性质上的巨大优势和应用上的复杂问题,第3代半导体材料的性能以及器件制作有着巨大的研究价值。因而后续的研究对材料性质的深入研究、器件性能的改造及优化、器件老化机制的研究以及改进、器件应用的拓展,都是需要深入研究的领域,具有巨大的研究价值以及重要的现实意义。