報告主題：超寬禁帶半導體的挑戰與機遇

報告作者：Sandia NL、UWBG Working Group、Ultra EFRC

NY CREATES Emerging Technologies Seminar Bob Kaplar, Sandia National Labs

報告內容包含：（具體內容詳見下方全部報告內容）

• 超寬禁帶半導體的應用

• 超寬禁帶半導體屬性

• Sandia AlGaN 器件：

  ? 電力電子

  ? 射頻

  ? 高閾邏輯

  ? 光電

報告詳細內容

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? 第 1 代：Ge 和 Si

? 第 2 代：常規 III-Vs – 砷化物、磷化物、銻化物

? 第 3 代：寬禁帶——SiC、GaN、InGaN

? 第 4 代：超寬禁帶 –AlxGa1-xN、(AlxGa1-x)2O3、金剛石、c-BN 等

01

超寬禁帶半導體的應用

# 軍事應用

在 SWaP 受限的環境中需要更高程度的電氣化和功率

# 超高電壓應用

脈沖功率、長距離傳輸

使用UWBG半導體可能實現100kV的開關!

# 極端環境下的電力電子

電力電子器件的相關極端環境：

- 極端溫度

- 輻射

- 振動、腐蝕

UWBG 有望在較寬的溫度范圍和輻射下保持穩定性

# 能效應用

# 射頻應用

# 紫外光電

? 水凈化

? 生物制劑檢測

? 日盲探測器

# UWBG 材料的量子、傳感、導航和其他應用

02 超寬禁帶半導體屬性

# 臨界電場和單極品質因數的定義

# 臨界電場不是恒定的

臨界電場取決于：

? 電場分布（EC 正式定義為非穿透漂移區的三角場分布）

? 摻雜（影響場分布和電離積分）

? 溫度（聲子散射與碰撞電離競爭）

# 臨界電場隨帶隙變化并決定了品質因數大小

# UWBG可能會有非常高的擊穿電壓

增加EC可能會大大增加VB

- 使用AlN等材料可以實現100kV的器件

- 但也需要低摻雜和厚的漂移層

# UWBG中的傳輸

? 合金散射在 AlGaN 的低場傳輸中占主導地位

? 導致較弱的溫度依賴性

03 Sandia AlGaN 器件

# AlGaN的材料特性

# 功率密度隨半導體材料特性的變化而變化

# WBG/UWBG功率開關應用范圍分析

? GaN 和 AlN 在中頻范圍內的高電壓下是首選

? 更高EC的好處

? 在低頻和高頻下效果不佳（低電導率調制和增加反向恢復）

? 檢查 PiN 二極管，因為峰值場被埋在表面之下

? 更先進設備的一部分

? 還必須考慮肖特基

# 為什么將AlGaN合金用于電力電子？

使用 UWBG 功率器件將系統性能提高一個數量級

AlGaN 是下一代功率器件的強大候選的UWBG 半導體

AlGaN 合金

# III-氮化物 PN 二極管的擊穿電壓

# 橫向功率器件品質因數

? 不像單極 FOM 那樣廣為人知

? 單極（垂直）FOM 經常被錯誤地用于橫向設備

# 該種材料的UWBG HEMT 結構

? 藍寶石襯底上的 MOCVD 生長

? 平面源極和漏極觸點

# 富鋁 AlGaN HEMT 的電氣特性

源極和漏極接觸中的準整流行為是一個挑戰

最近對觸點的改進提高了電流密度并改善了低壓下的線性度

# 可在較大的溫度范圍內運行

? 性能對溫度的依賴性相對較弱

? 可能是由于溝道遷移率對溫度不敏感

? 歐姆接觸在高溫下得到改善

# 擊穿電壓

# 富鋁 AlGaN HEMT 的歐姆接觸開發

# 增強型 AlGaN 功率晶體管

03 Sandia AlGaN 器件-射頻

# AlGaN 用于射頻器件的優勢

# 與 GaN 溝道 HEMT 相比，預計富鋁 HEMT 的功率密度增加 8 倍

# 具有 80nm 柵極的 HEMT

# 射頻特性

03 Sandia AlGaN 器件-高閾邏輯

# 用于數字邏輯的增強型和耗盡型 HEMT

03 Sandia AlGaN 器件-光電

# AlGaN光電HEMT填補了UV-C探測器的技術空白

# 可見盲和日盲