Широкозонные полупроводники: свойства и перспективы применения

Введение

Полупроводниковые материалы с большим запрещенным диапазоном

Широкозонные полупроводники (также известные как WBG-полупроводники или WBGS) — это полупроводниковые материалы, имеющие больший запрещенный диапазон, чем традиционные полупроводники. Традиционные полупроводники, такие как кремний, имеют запрещенный диапазон в пределах 0,6–1,5 электронвольт (эВ), в то время как широкозонные материалы имеют запрещенные диапазоны выше 2 эВ. Как правило, широкозонные полупроводники обладают электронными свойствами, занимающими промежуточное положение между свойствами традиционных полупроводников и изоляторов. Широкозонные полупроводники позволяют устройствам работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем традиционные полупроводниковые материалы, такие как кремний и арсенид галлия. Они являются ключевым компонентом для изготовления светодиодов или лазеров коротковолнового (зеленого УФ) диапазона, а также используются в некоторых радиочастотных приложениях, в частности в военных радарах. Их присущие качества делают их подходящими для широкого спектра других применений, и они являются одними из основных претендентов на создание устройств нового поколения для общего использования в полупроводниковой технике. Более широкий запрещенный диапазон особенно важен для обеспечения работы устройств, использующих их, при гораздо более высоких температурах, порядка 300 °C. Это делает их весьма привлекательными для военных применений, где они нашли достаточно широкое применение. Высокая термостойкость также означает, что эти устройства могут работать при гораздо более высоких уровнях мощности в нормальных условиях. Кроме того, большинство широкозонных материалов также имеют значительно более высокую критическую плотность электрического поля, примерно в десять раз превышающую плотность у традиционных полупроводников. В совокупности эти свойства позволяют им работать при гораздо более высоких напряжениях и токах, что делает их очень ценными в военных, радио- и силовых приложениях. Министерство энергетики США считает, что они станут основополагающей технологией для новых электрических сетей и устройств альтернативной энергетики, а также для надежных и эффективных силовых компонентов, используемых в мощных транспортных средствах, от подключаемых гибридов до электрических поездов. Большинство широкозонных материалов также обладают высокой скоростью свободных электронов, что позволяет им работать на более высоких скоростях переключения, что повышает их ценность в радиоприложениях. Одно WBG-устройство может быть использовано для создания полноценной радиосистемы, устраняя необходимость в отдельных компонентах обработки сигнала и радиочастоты, при этом работая на более высоких частотах и уровнях мощности. Исследования и разработки в области широкозонных материалов отстают от исследований и разработок традиционных полупроводников, которые получали значительные инвестиции с 1970-х годов. Однако их очевидные преимущества во многих приложениях, в сочетании с некоторыми уникальными свойствами, не встречающимися в традиционных полупроводниках, привели к растущему интересу к их использованию в повседневных электронных устройствах вместо кремния. Их способность выдерживать более высокую плотность мощности особенно привлекательна для попыток поддержать закон Мура — наблюдаемую устойчивую скорость увеличения плотности транзисторов на интегральной схеме, которая на протяжении десятилетий удваивалась примерно каждые два года. Однако, похоже, что традиционные технологии приближаются к плато плотности транзисторов.

Wide bandgap semiconductors (also known as WBG semiconductors or WBGSs) are semiconductor materials which have a larger band gap than conventional semiconductors. Conventional semiconductors like silicon have a bandgap in the range of 0.6 – 1.5 electronvolt (eV), whereas wide bandgap materials have bandgaps in the range above 2 eV. Generally, wide bandgap semiconductors have electronic properties which fall in between those of conventional semiconductors and insulators. Wide bandgap semiconductors permit devices to operate at much higher voltages, frequencies, and temperatures than conventional semiconductor materials like silicon and gallium arsenide. They are the key component used to make short wavelength (green UV) LEDs or lasers, and are also used in certain radio frequency applications, notably military radars. Their intrinsic qualities make them suitable for a wide range of other applications, and they are one of the leading contenders for next generation devices for general semiconductor use. The wider bandgap is particularly important for allowing devices that use them to operate at much higher temperatures, on the order of 300 °C. This makes them highly attractive for military applications, where they have seen a fair amount of use. The high temperature tolerance also means that these devices can be operated at much higher power levels under normal conditions. Additionally, most wide bandgap materials also have a much higher critical electrical field density, on the order of ten times that of conventional semiconductors. Combined, these properties allow them to operate at much higher voltages and currents, which makes them highly valuable in military, radio, and power conversion applications. The US Department of Energy believes they will be a foundational technology in new electrical grid and alternative energy devices, as well as the robust and efficient power components used in high power vehicles from plug in electric vehicles to electric trains. Most wide bandgap materials also have high free electron velocities, which allows them to work at higher switching speeds, which adds to their value in radio applications. A single WBG device can be used to make a complete radio system, eliminating the need for separate signal and radio frequency components, while operating at higher frequencies and power levels. Research and development of wide bandgap materials lags behind that of conventional semiconductors, which have received massive investment since the 1970s. However, their clear inherent advantages in many applications, combined with some unique properties not found in conventional semiconductors, has led to increasing interest in their use in everyday electronic devices instead of silicon. Their ability to handle higher power density is particularly attractive for attempts to sustain Moore's law the observed steady rate of increase in the density of transistors on an integrated circuit, which has, over decades, doubled roughly every two years. Conventional technologies, however, appear to be reaching a plateau of transistor density.

Использование в устройствах

Широкозонные материалы обладают рядом характеристик, которые делают их более полезными по сравнению с материалами с узкой зоной. Более широкая энергетическая щель позволяет приборам работать при более высоких температурах, поскольку ширина запрещенной зоны обычно уменьшается с ростом температуры, что может быть проблематично при использовании традиционных полупроводников. Для некоторых применений широкозонные материалы позволяют приборам коммутировать более высокие напряжения. Широкая зона также приводит энергию электронного перехода в диапазон энергий видимого света, благодаря чему можно создавать светоизлучающие устройства, такие как светодиоды (LED) и полупроводниковые лазеры, излучающие в видимом спектре или даже ультрафиолетовое излучение. Твердотельное освещение с использованием широкозонных полупроводников потенциально может снизить энергопотребление по сравнению с лампами накаливания, имеющими световую эффективность менее 20 люмен на ватт. Эффективность светодиодов составляет около 160 люмен на ватт. Широкозонные полупроводники также могут использоваться в обработке радиочастотных сигналов. Силовые транзисторы на основе кремния достигают пределов рабочей частоты, пробивного напряжения и удельной мощности. Широкозонные материалы могут применяться в высокотемпературных и силовых коммутационных устройствах.

Материалы

Единственными материалами с широкой запрещенной зоной в группе IV являются алмаз и карбид кремния (SiC). Существует множество полупроводниковых соединений III–V и II–VI с широкой запрещенной зоной. В семействе полупроводников III–V нитрид алюминия (AlN) используется для изготовления ультрафиолетовых светодиодов с длиной волны до 200–250 нм, нитрид галлия (GaN) используется для изготовления синих светодиодов и лазерных диодов, а нитрид бора (BN) рассматривается как материал для синих светодиодов.

Таблица общих широкополосных полупроводников

Группа Элемент. Материал Формула Ширина запрещенной зоны (эВ) Тип зоны Описание IV 1 Алмаз C 5.47 непрямая Отличная теплопроводность. Превосходные механические и оптические свойства. IV 2 Карбид кремния SiC 2.3 3.3 непрямая Ширина запрещенной зоны варьируется в зависимости от кристаллической структуры: 3C SiC, 4H SiC или 6H SiC. Применяется в высоковольтном и высокотемпературном оборудовании, а также в ранних желтых и синих светодиодах. III V 2 Нитрид бора BN 5.96 6.36 непрямая Указанные ширины запрещенной зоны соответствуют кубической или гексагональной кристаллической структуре соответственно. Потенциально пригоден для ультрафиолетовых светодиодов. III V 2 Фосфид алюминия AlP 2.45 и синих лазеров. Транзисторы GaN могут работать при более высоких напряжениях и температурах, чем GaAs, и используются в усилителях мощности микроволнового диапазона. При легировании, например, марганцем, становится магнитным полупроводником. III V 2 Фосфид галлия GaP 2.26 Один из наиболее изученных полупроводников. Многие применения и эффекты впервые были продемонстрированы на нем. Ранее использовался в выпрямительных диодах до появления кремния. Оксид 2 Диоксид олова SnO2 3.7 n-тип полупроводник с дефицитом кислорода. Используется в газовых датчиках и в качестве прозрачного проводника. Слоистый 2 Селенид галлия GaSe 2.1 непрямая Фотопроводник. Применяется в нелинейной оптике. Используется как 2D-материал. Чувствителен к воздействию воздуха.

Зазор

Квантовая механика обуславливает существование ряда дискретных энергетических уровней электронов, или зон, которые различаются для разных материалов. Каждая зона может вмещать определенное количество электронов; если в атоме больше электронов, они вынуждены занимать более высокие энергетические зоны. Под воздействием внешней энергии некоторые электроны поглощают энергию и переходят в зоны с более высоким уровнем, а затем высвобождают ее, возвращаясь в зону с более низким уровнем. При постоянном воздействии внешней энергии, такой как тепловая энергия при комнатной температуре, устанавливается равновесие, при котором число электронов, переходящих вверх и вниз по зонам, становится равным. В зависимости от распределения энергетических зон и ширины запрещенной зоны между ними, материалы проявляют существенно различные электрические свойства. Например, при комнатной температуре большинство металлов имеют ряд частично заполненных зон, позволяющих добавлять или удалять электроны при небольшом приложении энергии. Когда электроны тесно упакованы, они могут легко перемещаться от атома к атому, что делает их отличными проводниками. В отличие от этого, большинство пластиковых материалов имеют широко разнесенные энергетические уровни, для перемещения электронов между атомами которых требуется значительная энергия, что делает их естественными изоляторами. Полупроводники – это материалы, обладающие обоими типами зон, и при нормальных рабочих температурах некоторые электроны находятся в обеих зонах. В полупроводниках добавление небольшого количества энергии переводит больше электронов в зону проводимости, повышая проводимость и позволяя току течь подобно проводнику. Изменение полярности приложенной энергии перемещает электроны в более широко разнесенные зоны, превращая материал в изолятор и прекращая поток. Поскольку энергия, необходимая для перемещения электронов между этими двумя уровнями, очень мала, полупроводники обеспечивают переключение с минимальным энергопотреблением. Однако этот процесс переключения зависит от естественного распределения электронов между двумя состояниями, поэтому даже небольшие воздействия быстро изменяют статистику заселения. При изменении внешней температуры, в соответствии с распределением Максвелла-Больцмана, все большее число электронов оказываются в одном из состояний, что может привести к самопроизвольному переключению или его полной остановке. Размер атомов и число протонов в ядре атома являются основными факторами, определяющими величину и расположение запрещенных зон. Материалы с малыми атомами и сильными атомными связями характеризуются широкими запрещенными зонами. В отношении соединений III-V, нитриды обладают самыми широкими запрещенными зонами. Ширину запрещенной зоны можно регулировать путем легирования, и закон Вегарда утверждает, что существует линейная зависимость между постоянной решетки и составом твердого раствора при постоянной температуре. Положение минимумов и максимумов зоны проводимости в зонной структуре определяет, является ли запрещенная зона прямой или непрямой: материалы с прямой запрещенной зоной сильно поглощают свет, а с непрямой – слабее. Аналогично, материалы с прямой запрещенной зоной эффективно излучают свет, в то время как полупроводники с непрямой запрещенной зоной являются плохими излучателями, если не добавлены примеси, сильно взаимодействующие со светом.

Quantum mechanics gives rise to a series of distinct electron energy levels, or bands, that vary from material to material. Each band can hold a certain number of electrons; if the atom has more electrons then they are forced into higher energy bands. In the presence of external energy, some of the electrons will gain energy and move back up the energy bands, before releasing it and falling back down to a lower band. With the constant application of external energy, like the thermal energy present at room temperature, an equilibrium is reached where the population of electrons moving up and down the bands is equal. Depending on the distribution of the energy bands, and the "band gap" between them, the materials will have very different electrical properties. For instance, at room temperature most metals have a series of partially filled bands that allow electrons to be added or removed with little applied energy. When tightly packed together, electrons can easily move from atom to atom, making them excellent conductors. In comparison, most plastic materials have widely spaced energy levels that require considerable energy to move electrons between their atoms, making them natural insulators. Semiconductors are those materials that have both types of bands, and at normal operational temperatures, some electrons are in both bands. In semiconductors, adding a small amount of energy pushes more electrons into the conduction band, making them more conductive and allowing current to flow like a conductor. Reversing the polarity of this applied energy pushes the electrons into the more widely separated bands, making them insulators and stopping the flow. Since the amount of energy needed to push the electrons between these two levels is very small, semiconductors allow switching with very little energy input. However, this switching process depends on the electrons being naturally distributed between the two states, so small inputs cause the population statistics to change rapidly. As the external temperature changes, due to the Maxwell–Boltzmann distribution, more and more electrons will normally find themselves in one state or the other, causing the switching action to occur on its own, or stop entirely. The size of the atoms and the number of protons in the atom are the primary predictors of the strength and layout of the bandgaps. Materials with small atoms and strong atomic bonds are associated with wide bandgaps. With regard to III V compounds, nitrides are associated with the largest bandgaps. Bandgaps can be engineered by alloying, and Vegard's law states that there is a linear relation between lattice constant and composition of a solid solution at constant temperature. The position of the conduction band minima versus maxima in the band structure determine whether a bandgap is direct or indirect, where direct bandgap materials absorb light strongly, and indirect bandgaps absorb less strongly. Likewise, direct bandgap material emit light strongly, while indirect bandgap semiconductor are poor light emitters, unless dopants are added which couple strongly to light.

Оптические свойства

Связь между длиной волны и шириной запрещенной зоны заключается в том, что энергия ширины запрещенной зоны является минимальной энергией, необходимой для перехода электрона в зону проводимости. Чтобы фотон без посторонней помощи вызвал этот переход, он должен обладать как минимум такой же энергией. В обратном процессе, при рекомбинации возбужденных электронно-дырочных пар, генерируются фотоны с энергиями, соответствующими величине ширины запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны определяет длину волны, на которой светодиоды излучают свет, и длину волны, на которой фотоэлектрические элементы работают наиболее эффективно. Устройства с широкой запрещенной зоной, следовательно, полезны на более коротких длинах волн, чем другие полупроводниковые устройства. Например, ширина запрещенной зоны для GaAs в 1,4 эВ соответствует длине волны приблизительно 890 нм, что соответствует инфракрасному свету (эквивалентная длина волны для световой энергии может быть определена путем деления постоянной 1240 нм·эВ на энергию в эВ, то есть 1240 нм·эВ / 1,4 эВ = 886 нм). Поскольку наибольшая эффективность достигается в фотоэлектрическом элементе с слоями, настроенными на различные области солнечного спектра, современные многопереходные солнечные элементы имеют несколько слоев с разными ширинами запрещенной зоны, а полупроводники с широкой запрещенной зоной являются ключевым компонентом для сбора части спектра за пределами инфракрасного диапазона. Применение светодиодов в освещении особенно зависит от разработки полупроводников на основе нитридов с широкой запрещенной зоной.

Поле распределения

Ионизация от удара часто считается причиной пробоя. В момент пробоя электроны в полупроводнике обладают достаточной кинетической энергией для генерации носителей при столкновении с атомами кристаллической решетки. Полупроводники с широкой запрещенной зоной характеризуются высоким напряжением пробоя. Это обусловлено тем, что для генерации носителей посредством ионизации от удара требуется большее электрическое поле. При высоких электрических полях скорость дрейфа насыщается из-за рассеяния на оптических фононах. Более высокая энергия оптического фонона приводит к меньшему числу оптических фононов при данной температуре, а следовательно, и к меньшему числу центров рассеяния, что позволяет электронам в полупроводниках с широкой запрещенной зоной достигать высоких пиковых скоростей. Скорость дрейфа достигает максимума при умеренном электрическом поле и незначительно снижается при более высоких полях. Междолинное рассеяние является дополнительным механизмом рассеяния при больших электрических полях, вызванным переходом носителей из нижней долины зоны проводимости в верхние долины, где меньшая кривизна зоны увеличивает эффективную массу электронов и снижает их подвижность. Снижение скорости дрейфа при высоких электрических полях из-за междолинного рассеяния невелико по сравнению с высокой скоростью насыщения, обусловленной слабым рассеянием на оптических фононах. Таким образом, наблюдается в целом более высокая скорость насыщения.

Термические свойства

Кремний и другие распространенные материалы имеют ширину запрещенной зоны порядка 1–1,5 электронвольт (эВ), что означает, что такими полупроводниковыми устройствами можно управлять относительно низкими напряжениями. Однако это также означает, что они более подвержены активации тепловой энергией, что мешает их нормальной работе. Это ограничивает рабочую температуру устройств на основе кремния значением ниже 100 °C, при превышении которого неконтролируемая термическая активация устройств затрудняет их корректную работу. Материалы с широкой запрещенной зоной обычно имеют ширину запрещенной зоны порядка 2–4 эВ, что позволяет им работать при гораздо более высоких температурах, порядка 300 °C. Это делает их весьма привлекательными для военных применений, где они нашли достаточно широкое применение. Температуры плавления, коэффициенты теплового расширения и теплопроводность можно рассматривать как вторичные свойства, важные для технологических процессов, и эти свойства связаны с типом химической связи в материалах с широкой запрещенной зоной. Прочные связи приводят к более высоким температурам плавления и более низким коэффициентам теплового расширения. Высокая температура Дебая обеспечивает высокую теплопроводность. Благодаря таким тепловым свойствам отвод тепла происходит легко.

Приложения с высокой мощностью

Высокое пробивное напряжение широкозонных полупроводников – полезное свойство в мощных приложениях, требующих больших электрических полей. Кубический нитрид бора также используется в устройствах для работы при высокой мощности и температуре. Большинство из них предназначены для специализированных применений в космических программах и военных системах. Они пока не начали вытеснять кремний с его ведущей позиции на общем рынке силовых полупроводников.

Светодиоды

Белые светодиоды заменили лампы накаливания во многих областях благодаря большей яркости и длительному сроку службы. Следующее поколение DVD-плееров (форматы Blu-ray и HD DVD) использует фиолетовые лазеры на основе нитрида галлия (GaN).

Передатчики

Большие пьезоэлектрические эффекты позволяют использовать материалы с широкой запрещенной зоной в качестве преобразователей.

Транзисторы с высокой мобильностью электронов

Очень высокая скорость в GaN достигается за счет явления высокой плотности заряда на границе раздела. Из-за высокой стоимости нитрид алюминия пока что используется преимущественно в военных приложениях.