寬帶隙半導體的案例
[分析示例] 利用 LDA+U 方法修正半導體帶隙的分析示例
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 反超Cree！這家SiC公司是如何做到的？
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 硅以外的半導體材料探索之旅
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。
展開 Cree、II-VI竟然是這樣做強的！值得借鑒嗎？
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。
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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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超薄鈀納米片/非晶氮化碳共面復合結構的控制生長及其可見光驅動下的光催化產氫性能研究
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.
展開 中科院化學所李永舫院士課題組等AM：在高效寬帶隙聚合物給體光伏材料的研究中取得新進展
隨著2019年明星窄帶隙有機小分子受體Y6的發現，有機太陽能電池（OSC）進入了一個新的發展階段，其最高能量轉換效率（PCE）從報道Y6之前的14%左右迅速提升到最近的超過18%。但是效率超過17%的器件大多基于三元體系（兩個給體一個受體或者是一個給體兩個受體）或者是使用三元共聚的聚合物給體，這些都增加了材料合成和器件制備的復雜程度。
在國家自然科學基金委和科技部重點研發計劃的支持下，中科院化學所有機固體實驗室李永舫院士課題組最近在寬帶隙聚合物給體光伏材料的研究中取得新進展。他們設計合成了基于噻吩給電子（D）單元和二氟取代喹喔啉（DFQ）受電子（A）單元的低成本高效D-A共聚物給體光伏材料PTQ10（Nat. Commun. 2018, 9, 743.）。他們又將DFQ A-單元與帶噻吩共軛側鏈的苯并二噻吩（BDTT） D-單元共聚，合成了新型D-A共聚物給體光伏材料PBQ10，使用Y6為受體，使基于PBQ10的OSC能量轉換效率達到了16.34%（Chem. Mater., 2020,32,3254-3261.）。
圖1 聚合物給體PBQ5、PBQ6和受體Y6的(a)分子結構；（b）薄膜的吸收光譜和(c) LUMO和HOMO能級；(d) 有機太陽電池器件結構。
最近，該課題組與武漢理工大學合作，通過側鏈工程優化合成了兩個新的基于BDTT D-單元和DFQ A-單元的寬帶隙D-A共聚物PBQ5和PBQ6（分子結構見圖1(a)）。與DFQ單元上帶兩個烷基側鏈的PBQ5相比，DFQ單元上帶兩個烷基和氟取代噻吩共軛側鏈的PBQ6的吸收光譜發生紅移（見圖1(b)）、分子間相互作用增強、并且空穴遷移率提高。
展開 基于氧化銦納米晶體的紫外窄帶光電探測器
半導體量子點（尺寸僅為幾納米的納米晶體）的尺寸依賴性效應賦予它們新穎的電學和光學性質，吸引了研究人員的關注。
窄帶紫外光電探測器可用于許多領域，特別是生物醫學領域的熒光檢測或紫外光療。該探測器除了尺寸較小外，在可見光或太陽光下的工作溫度范圍和透明度也更高，而之前制造這種光接收器的材料通常是寬帶隙氧化物和氮化物。
氧化銦（In2O3）是透明的寬帶隙半導體氧化物，其直接帶隙約為3.6eV，間接帶隙約為2.5eV。眾所周知， In2O3可用于生產高靈敏度的UV光電探測器。
圖為制造基于Al 2 O 3膜的光電探測器的技術方法的示意圖，其中（a-c）為離子束合成In2O3納米晶體，（d）為In2O3納米晶體的電子顯微鏡圖像，以及光電探測器參數的光譜依賴性。
據UNN物理和技術研究所實驗室負責人Alexey Mikhaylov介紹，實驗室研究人員與印度理工學院的印度同事Jodhpur和印度理工學院Ropar合作，通過在硅上的氧化鋁（Al2O3）薄膜中注入銦離子，成功地合成了In2O3納米晶體。
離子注入是現代電子技術中的基本方法，可以控制夾雜物的尺寸從而調節光電探測器的光學性質。用于氧化銦納米晶體的Al2O3基質提供了一些優于其他電介質的優點，因為這種寬帶隙材料（8.9 eV）對于寬范圍的波長是透明的。
Alexey Mikhaylov 指出：“在我們的研究過程中，我們設法實現了暗電流的顯著降低（與其他基于In2O3納米線類似的光電探測器相比，實現了兩倍以上）。通過將In2O3相整合到寬帶矩陣中并由于它的低暗電流，新的光電探測器顯示出卓越的響應度和外部量子效率的記錄值。”
UV范圍內的靈敏度帶寬僅為60 nm，并顯示出高紫外-可見光抑制比（高達8400）。該光電探測器非常適用于窄帶光譜選擇光電探測器等實際應用。
展開 SiC和GaN功率器件為何能夠在電子界唱主角？原因在此
汽車電力電子設計人員還需要使用先進的寬帶隙半導體(WBG) 材料來滿足能效和功率密度要求。
這些材料主要由氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 組成，是對硅(Si) 金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管(IGBT) 等現有半導體技術的改進。因而，由這些材料制成的半導體損耗更低、開關頻率更快、工作溫度更高、擊穿電壓更高，并且在惡劣環境中更堅固耐用。隨著汽車行業轉向使用容量更高、充電時間更短、總損耗更低，并且可在高電壓下工作的電池，WBG材料變得尤其有用。
本文將簡要概述WBG技術及其在汽車EV電子領域發揮的作用。此外，還將介紹由ROHM Semiconductor、STMicroelectronics、Transphorm和Infineon Technologies推出的GaN和SiC適宜解決方案，并對其應用予以指導。
WBG半導體的優勢
先來回顧一下，帶隙是將電子從材料的價帶激發躍遷至導帶所需的能量，而WBG材料的帶隙明顯寬于硅（圖1）。Si的帶隙為1.1eV，而SiC的帶隙為3.3eV，GaN則為.4eV。
圖1：Si半導體導帶和價帶之間的帶隙比SiC和GaN窄，因此后兩者才獲得“寬帶隙半導體”的命名。
展開 美國EDA禁令的陰謀與陽謀
美國商務部宣布針對包括先進半導體在內的四項技術設立新的出口管制。
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。因此，我們3nm可能很難實現。
這些觀點沒有問題。但是，我覺得這些觀點還是停留在表面，不夠深入。
大家有沒有想過，為什么美國只是針對GAAFET這個還沒有量產的技術來禁止，而如今已經量產，并且能夠實現3nm以上芯片的FINFET技術卻能夠網開一面？
如果單純是為了重創中國半導體產業，直接禁止FINFET功能EDA軟件就行了。甚至更直接點，不用管EDA軟件，直接禁止臺積電，三星為大陸公司代工先進工藝芯片。
美國商務部是以長臂管轄臭名遠揚，因此，不要以為美國商務部是因為只能管美國的EDA公司管不了三星，臺積電。
這里面有很深且精密的算計。
GAAFET EDA軟件禁令恰恰發生在美國芯片和科學法案剛剛簽署之后，不由得讓我懷疑其中的聯系。仔細一想，豁然開朗。
這個禁令看似是一段時間以后才會產生影響，其實影響是即刻的。這里我們要結合美國的芯片與科學法案一起來看。
芯片與科學法案希望晶圓廠將先進工藝的生產轉移到美國國內。而三星，臺積電其實也知道那500億美元其實是個燙手山芋，自己能分到多少還是個未知數，如果真拿了那點補助，自己反而失去中國市場。
下面幾個信息大家可以自行判斷。
首先英特爾希望自己能拿到那500億美元的三分之一。
展開 Ansys Lumerical | 單行載流子光電探測器仿真方法
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]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關的帶結構如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。
光學設計
使用FDTD求解器，計算出不同結構參數下光電探測器中的光場變化（主要以電場E的形式表示）。
光電探測器樣光傳播方向（Y）的截面
監視器1中的光場分布（YZ方向）
在得到光場后，軟件內置的分析腳本將自動的計算出光產生速率，同時會根據光生成率在光傳播方向（y）上的平均值生成一個文件，此文件將在CHARGE中用于電學仿真。
光生成速率的平均值示意圖
產生速率分析還基于輸入功率和器件體積來計算光電探測器的響應度。因此調整光電探測器的（Y方向）的長度，可以初步觀察到響應度的變化。
電學設計與光電響應
穩態：暗電流和響應
文獻中[2]測量到的暗電流小于10nA。為了模擬光電探測器的穩態特性，我們將FDTD中計算出的長度為50μm的光電探測器的光學生成率導入到CHARGE電學仿真當中，將偏置從-5V掃到1.5V，進行暗電流模擬和響應模擬。從光電流響應來看，響應度為1.07A/W，表明復合損耗可忽略不計。
展開 Lumerical 單行載流子光電探測器仿真方法
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]。其包括100nm厚的InP鍵合/匹配層、250nm厚的GaAs吸收體和700nm厚的In P本征收集層。材料堆疊和相關的帶結構如下圖所示。測量了長度為25um、50um和150um的光電探測器[2]。
光學設計
使用FDTD求解器，計算出不同結構參數下光電探測器中的光場變化（主要以電場E的形式表示）。
光電探測器樣光傳播方向（Y）的截面
監視器1中的光場分布（YZ方向）
在得到光場后，軟件內置的分析腳本將自動的計算出光產生速率，同時會根據光生成率在光傳播方向（y）上的平均值生成一個文件，此文件將在CHARGE中用于電學仿真。
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產生速率分析還基于輸入功率和器件體積來計算光電探測器的響應度。因此調整光電探測器的（Y方向）的長度，可以初步觀察到響應度的變化。
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文獻中[2]測量到的暗電流小于10nA。為了模擬光電探測器的穩態特性，我們將FDTD中計算出的長度為50μm的光電探測器的光學生成率導入到CHARGE電學仿真當中，將偏置從-5V掃到1.5V，進行暗電流模擬和響應模擬。從光電流響應來看，響應度為1.07A/W，表明復合損耗可忽略不計。
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碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)誰是寬禁帶(WBG)材料的未來？
相似之處
兩者相似的地方在于它們都屬于寬禁帶半導體的成員 —— 在固態物理學中，禁帶寬度是指從半導體或絕緣體的價帶頂端到傳導帶底端的能量差距。如果用最白話的方式說明，代表著一個能量的差距，意即讓一個半導體"從絕緣到導電所需的最低能量"。
第一、二代半導體的硅與砷化鎵屬于低帶隙材料，數值分別為1.12eV(電子伏特)和1.43eV，第三代(寬帶隙)半導體的帶隙，SiC和GaN分別達到3.2eV、3.4eV。
寬禁帶半導體內部電阻非常低，制成的元件與同類硅元件比較，效率可提升70%。低電阻可讓半導體運作時的產生的熱量降低，達到更高的功率與密度，寬禁帶半導體關斷時間極短，能夠在非常高的開關頻率下運作。
不同之處
SiC和GaN雖然經常將它們相提并論，但實際上，他們之間有一些重要的區別。
展開 小型化設計中，高可靠性的EMI抑制電容應該怎么選？
半導體技術的改進強調減小電子元器件的尺寸，同時也需要顯著提高其性能。智能手機、可穿戴設備和平板電腦只是利用最新半導體技術的眾多設備中的幾個例子。然而，當電子器件和設備尺寸縮小并且變得更緊湊時，可靠性就成了一個重要的問題，如何抑制電噪聲或干擾的影響也成為了挑戰。因此，EMI抑制電容器在電子工業中也就發揮著更為重要的作用。
寬帶隙半導體技術介紹
寬帶隙（WBG）材料，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）是市場上的創新半導體技術。與傳統的硅基器件相比，它們具有更高的效率和功率密度，并且可以在更高的開關頻率和惡劣的環境下工作。寬帶隙MOSFET和二極管的出現，減小了電子元器件的尺寸，更顯著提高了效率，特別適在移動設備中應用。在電源轉換系統中，使用WBG半導體元器件可以實現更小的占板面積和更高的效率，同時在電源轉換過程中實現更低的能量損耗。受益于PCB占位面積的減小，還帶來了其他關鍵優勢，如可聽噪聲的降低和無源元件的小型化。
但是，由于越來越多的電子器件集成到較小的封裝中，因此小型化的設備更容易受到電噪聲或干擾的影響。盡管在WBG設備中使用較高的頻率或可有助大大降低可聽噪聲，但它會產生更多的高頻輻射，并且需要更復雜的設計才能滿足監管機構對輻射的要求。由于這些原因，EMI抑制電容器在電子工業中起著至關重要的作用，而且在關鍵的電氣和環境應用中還需要更小型化的解決方案。
惡劣環境條件下工作的挑戰
使高電壓和高頻率的功率器件的尺寸最小化將面對兩個重要難題：更大的感應噪聲和更大的熱損耗。
展開 Terecircuits推出新的Micro-LED巨量轉移工藝，極大提高轉移效率并降低成本
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。然而現在，市場對該材料的需求正不斷增加，且目前加工這一類較脆材料的成本也在不斷攀升，該行業和市場正面臨著規模進一步擴張的困難。
電動汽車和類似技術的興起已經表明，該行業有必要做出調整以適應這些材料的工藝需求，這些都是未來半導體技術的發展契機。Terecircuits公司首席執行官Wayne Rickard在接受《電力電子新聞》采訪時，談到了他們開發的一種新型半導體元器件轉移工藝。據其介紹，該工藝可以在對其進行制造加工的過程中，保持碳化硅等半導體材料的完整性。
Terecircuits開發的制造工藝用單個硬載體取代傳統的處理工具，并使用尖端激光技術實現一種溫和的器件釋放動作，來處理上述較脆的碳化硅等材料的復雜性。據介紹，這種方法不僅能夠極大降低器件材料轉移過程中的損壞風險，還能提高制造良率和吞吐量。
制造工藝
未來十年，市場將迎來物聯網、可穿戴設備、智能建筑和車輛、增強現實和虛擬現實以及醫療設備的指數級增長。不過，所有這些領域都將可能依賴于新一代、低成本Micro-LED顯示器。這種先進的顯示器具有高像素密度、可嵌入傳感器件、輕薄緊湊、搭載透明柔性驅動背板和更低的功率等眾多優勢。
然而，眾所周知，Micro-LED面板當前最佳的組裝方案是使用傳統的拾取和放置（Pick-up and Place）。不過，因為Micro-LED芯片的尺寸非常小，即使一款普通分辨率的電視也可能有接近3500萬顆芯片，如此大的處理數量讓這種方法在批量生產中變得不切實際。
展開 聚焦 | 全球芯片并購潮：聞泰科技可能收購英國最大芯片廠
而聞泰科技對于汽車芯片的布局則始于對安世半導體的收購。
2019年，聞泰科技用338億元成功收購安世半導體，后者在2020年來源于汽車的收入占比為45%。而在今年6月17日，安世又宣布了相關擴產計劃，擬在未來12個月至15個月期間投資7億美元用于擴建歐洲的晶圓廠、亞洲的封裝和測試工廠和全球的研發基地，其中包括支持氮化鎵(GaN)寬帶隙半導體和電源管理IC等領域的研發。
據記者了解，此前聞泰推出的硅基氮化鎵功率器件（GaN FET）今年已通過車規認證測試并實現量產，碳化硅二極管產品有望在2021年底或2022年投入量產。
在業內看來，如果順利實現對NWF的收購，聞泰將在汽車產業領域擁有更強的話語權。
據公開資料顯示，NWF主要為汽車行業生產用的電源應用硅芯片，也是英國為數不多的幾家半導體制造商之一。
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