寬帶隙半導體
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
寬帶隙半導體的實例教程
利用SIESTA軟件更精確地分析半導體的能帶結構
功率半導體廣泛應用于電力系統中高壓和大電流的開關設備和逆變器中，具有高耐壓特性。半導體的耐壓能力取決于價帶和導帶之間的帶隙大小。功率半導體也被稱為寬帶隙半導體，因為它們的帶隙比硅和砷化鎵的帶隙寬三倍。因此，通過模擬使用半導體進行材料設計時，需要準確估算出帶隙，但基于密度泛函理論（DFT）的預測帶隙比實驗結果小得多（圖 1）。
圖 1. 利用 GGA 方法計算的半導體能帶結果（左為硅，右為砷化鎵）
用未經校正的 GGA 方法計算出的帶隙大小，硅為 0.72 eV（實驗值為 1.12 eV），砷化鎵為 0.37 eV（實驗值為 1.42 eV）。這些結果與一般未校正 DFT 的預測值幾乎相同。
眾所周知，這是由密度泛函方法[1][2]的缺點導致的，而 LDA+U [3]就是一種能改善這一缺點的方法。
在 LDA+U 方法中，當應用軌道中的兩個電子到達同一位置時，它們會被排斥，其能量會因 U 而增加。
在本案例研究中，應用 LDA+U 方法分析了硅和 4H-SiC （間接過渡半導體）以及砷化鎵和氮化鎵（直接過渡半導體）的帶隙。對于所有半導體，LDA+U 方法都適用于構成價帶的 p 軌道。硅的目標是 3p 軌道，但由于其他三種半導體都是化合物半導體，因此有必要選擇一個構成價帶的 p 軌道元素。在此，我們將重點放在各元素電負性的差異上：在砷化鎵中，砷的電負性更大，鎵的 4p 軌道上的電子會被吸引到砷的 4p 軌道上。在氮化鎵中，N的電負性更大，N衍生的2p軌道形成價帶；在碳化硅中，碳的電負性大于硅，碳衍生的2p軌道形成價帶，盡管兩者都是第IV族元素。
圖 2-4 顯示了化合物半導體中每種元素的 p 軌道部分狀態密度。
展開 在半絕緣碳化硅方面，II-VI使用釩補償在帶隙內引入深能級，是使用釩摻雜的半絕緣SiC唯一市場供應商，其可再現和高度均勻的電阻率超過1011Ω·cm。
2019年10月，II-VI 在業界首次展示了200 mm的6H半絕緣SiC。
在過去的 30 年里，美國國防部為寬帶隙半導體資助超過10億美元（約64.57億人民幣），可以說催生了一個全新的行業。Cree Research、Westinghouse、Northrop-Grumman、ATMI、Sterling、Litton-Airtron、Dow 和 Intrinsic 等公司，有些被并購，有些已經消失。而Wolfspeed-Cree、II-VI“勝者為王”，目前兩家企業的全球市占率合計超過70%。
近年來，隨著SiC商業和軍事需求迅速增長，這兩家企業也在不斷擴產。2019年9月，Wolfspeed-Cree宣布承諾投資10億美元建立全球最大的 SiC 功率和射頻制造工廠。而II-VI繼續擴大新澤西州、賓夕法尼亞州和馬薩諸塞州的制造產能。
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展開 世界范圍內普遍使用的手機技術部分歸功于DARPA資助研究的GaAs半導體產業的發展。
MIMIC計劃一直持續到1995年，對工業產生了深遠的影響，它尋求開發將高頻材料和組件集成到軍事相關技術（如無線電和雷達）中的方法和手段，并建立可靠的工業基地完成這些事情。實際上，MIMIC計劃可以實現GaAs晶體管技術，從而產生一類新的RF“前端”組件。射頻系統的前端是在電磁頻譜中發送和接收信號的放大技術。DARPA的MIMIC技術，特別是其中出現的集成技術，使得國防部（DOD）能夠制造出比以往任何時候都能在更高頻率和帶寬上接入頻譜的無線電和雷達系統。GaAs技術在國防部系統中的應用一直持續到今天。
除了國防應用之外，高頻GaAs放大器為商業界提供了一個關鍵的拼圖，因為商業界在上世紀90年代尋求建立新的移動電話技術。GaAs晶體管使得裝有小電池的手提電話能夠建立與發射塔的關鍵通信鏈路。直到今天，每一部智能手機都包含一小部分GaAs來執行這一關鍵功能，而且由于DARPA對MIMIC計劃的投資，美國在這個價值數十億美元的半導體行業的供應商中享有占據主導地位。
GaAs技術的成功證明了硅之外的半導體技術的防御意義和商業可行性，并將一種曾經新奇的研究材料變成了一種商品技術。然而，即使GaAs正在逐漸成熟，但由美國海軍研究辦公室（ONR）和其他機構贊助的研究人員已經開始發現半導體材料的下一個飛躍。寬帶隙半導體（WBGS）材料被認為是很有前途的，因為它們能像GaAs那樣快速移動電子，同時也能處理大電場。這種高電流和高電壓的結合驅動了提供更多RF功率的能力。雖然世界各地也正在開發幾種候選材料，但DARPA認為GaN及其合金最有前途，并且建立了寬帶隙半導體射頻（WBGS-RF）計劃來快速推進這項技術。
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在過去的 30 年里，美國國防部為寬帶隙半導體資助超過10億美元（約64.57億人民幣），可以說催生了一個全新的行業。Cree Research、Westinghouse、Northrop-Grumman、ATMI、Sterling、Litton-Airtron、Dow 和 Intrinsic 等公司，有些被并購，有些已經消失。而Wolfspeed-Cree、II-VI“勝者為王”，目前兩家企業的全球市占率合計超過70%。
近年來，隨著SiC商業和軍事需求迅速增長，這兩家企業也在不斷擴產。2019年9月，Wolfspeed-Cree宣布承諾投資10億美元建立全球最大的 SiC 功率和射頻制造工廠。而II-VI繼續擴大新澤西州、賓夕法尼亞州和馬薩諸塞州的制造產能。
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展開 半導體光催化制氫憑借其清潔、可持續、環境友好的優勢成為研究熱點. 傳統的光催化制氫體系以貴金屬為助催化劑, 寬帶隙半導體為光催化劑, 這種光催化系統的太陽能轉換效率難以滿足實際需求. 在本文中, 我們合成出一種具有較大接觸界面和較短的電子傳遞路徑的共面型超薄鈀納米片/非晶氮化碳復合結構. 在室溫25°C條件下, 該結構平均氫氣生成速率為
1.45?mmol mg
?1
h
?1
,
是鈀納米顆粒-無定形碳化氮粒面型結構的2.6倍. 同時, 該共面型光催化劑具有優良的產氫穩定性. 該催化劑既充分利用了鈀納米片表面高密度的活性位點, 又利用了無定型氮化碳寬的光譜響應. 本工作為可見光驅動的高效助催化劑和光催化劑界面設計提供了一種新的策略.
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功率半導體也被稱為寬帶隙半導體，因為它們的帶隙比硅和砷化鎵的帶隙寬三倍。因此，通過模擬使用半導體進行材料設計時，需要準確估算出帶隙，但基于密度泛函理論（DFT）的預測帶隙比實驗結果小得多（圖 1）。
圖 1.
CINNO Research產業資訊，碳化硅（SiC）是一種寬帶隙半導體材料，可用于制作高電壓和高電流半導體組件，有助于開發電動汽車等現代電力應用的節能系統。不過一直以來，碳化硅材料都非常的脆，這使得制造工廠無法使用一些傳統面向硅等不太脆材料的半導體設備直接對其進行加工。
為了驗證這一方法，測量了兩種典型的寬帶隙半導體異質結，即GaN on SiC 和GaN on Si， GaN薄膜為~ 2.3 μm。推導了GaN薄膜的導熱系數、SiC和Si襯底的導熱系數以及GaN/襯底的總熱阻比，結果與文獻一致。該方法將為各種固體異質結構的熱物性測量提供一個全面的解決方案。
通過結合窄帶隙和寬帶隙半導體，可以隔離單個載流子類型（通常是電子），使得器件的光響應僅取決于這些載流子的傳輸。然而，與PIN光電二極管相比，UTC的能帶結構要求通常需要III-V材料來實現，這使得在與硅基光子系統集成時面臨額外的挑戰。
本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統上的InP/InGaAs混合波導光電二極管所設計的[2]。
通過結合窄帶隙和寬帶隙半導體，可以隔離單個載流子類型（通常是電子），使得器件的光響應僅取決于這些載流子的傳輸。然而，與PIN光電二極管相比，UTC的能帶結構要求通常需要III-V材料來實現，這使得在與硅基光子系統集成時面臨額外的挑戰。
本例中光電探測器是基于集成在硅基光子系統上的InP/InGaAs混合波導光電二極管所設計的[2]。
新半導體的出現
對功率半導體來說,
新半導體的帶隙要比硅更寬,也就是要大于1.1eV,近幾年最火的是氮化鉀和碳化硅就都屬于寬帶隙半導體,在室溫下帶隙寬度大于2.2eV,氮化鎵的帶隙高達3.39eV,并且比硅的導熱性更好,在高壓下的電子遷移速度也更快,這讓氮化鎵器件的功率更大,能效也更高,現在氮化鎵在光電子、5G通信都有應用
--應用領域--
作為一種寬帶隙半導體材料，金剛石集力學、電學、熱學、聲學、光學、耐蝕等優異性能于一身，是目前最有發展前途的第三代半導體材料之一，在高溫大功率電力電子器件、微波功率器件、深紫外光和高能粒子探測器、深紫外發光器件、單光子光源、生物和化學傳感器、微機電（MEMS）和納機電（NEMS）器件、自旋電子學等眾多領域有著極大的應用潛力。
涉及到的這四項技術為：兩種超寬帶隙半導體的基材——氧化鎵（Ga2 O3）和鉆石；專門為開發具有全場效應晶體管（GAAFET）結構的集成電路而設計的電子計算機輔助設計（ECAD）軟件；以及增壓燃燒（PGC）技術。
該禁令于8月15日正式生效。
這里我們只談ECAD，也就是EDA。
對此事件，評論性文章不少。觀點類似，就是美國在EDA軟件上處于壟斷地位，我們追趕難度不小。短時間內無法趕超。
禁帶寬度是衡量半導體性能的 一個重要指標，更寬的禁帶意味著更高的激發要求，即電子和空穴更難以形成，這 也導致了寬帶隙半導體在不需要工作時可以保持類似絕緣體的特性，這也使得其具 有更好的穩定性，寬禁帶同時也有助于提高擊穿電場強度，進而增強對工作環境的 承受能力，具體體現在具有更好的耐熱性和耐高電壓性、抗輻射性。
碳化硅(SiC)是一種寬帶隙化合物半導體，具有高擊穿場強(約為Si的10倍)、高飽和電子漂移速率(約為Si的2倍)、高熱導率(Si的3倍、GaAs的10倍)等優異性能。
