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寬禁帶半導體技術或將掀起新一輪信息和能源技術革命
發布時間:2018-11-14
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  與以硅為代表的第一代半導體、第二代半導體砷化鎵和磷化銦不同,第三代半導體材料是指氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等寬禁帶半導體材料。第三代半導體材料由于禁帶寬度大,所以具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優越性能,因此在短波發光/激光、探測等光電子器件和高溫、高壓、高頻大功率的電子電力器件領域有廣闊的應用前景,其不僅能在更高的溫度下穩定運行,而且在高電壓、高頻率狀態下更為耐用和可靠。“隨著第三代半導體材料、器件及應用技術不斷取得突破,甚至可能在21世紀上半葉,導致一場新的信息和能源技術革命。”
  
  “隨著第三代半導體材料、器件及應用技術不斷取得突破,甚至可能在21世紀上半葉,導致一場新的信息和能源技術革命。”在11月8日召開的以“寬禁帶半導體發光的發展戰略”為主題的第641次香山科學會議上,與會專家指出,寬禁帶半導體核心技術一旦解決,必將引起應用格局的巨大改變。
  
  如今,半導體發展已經歷了三代的變革,極大地影響了社會發展進程。以硅為代表的第一代半導體的發展帶來了微型計算機、集成電路的出現和整個信息產業的飛躍。第二代半導體砷化鎵和磷化銦等的出現促成了信息高速公路的崛起和社會的信息化。第三代半導體材料是指氮化鎵、碳化硅、氧化鋅等寬禁帶半導體材料。
  
  本次會議執行主席,中科院長春光機所研究員申德振和中科院半導體所研究員、中國科學院院士夏建白先后做了主題評述報告。報告指出,與前兩代半導體材料相比,第三代半導體材料由于禁帶寬度大,所以具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優越性能,因此在短波發光/激光、探測等光電子器件和高溫、高壓、高頻大功率的電子電力器件領域有廣闊的應用前景,其不僅能在更高的溫度下穩定運行,而且在高電壓、高頻率狀態下更為耐用和可靠。
  
  寬禁帶半導體在深紫外發光與激光方面優勢明顯,其中,III族氮化物成為其在深紫外光源領域研究的主要代表,尤其是氮化鎵基藍光發光二極管(LED)的發明,引起人類照明光源的革新。日本科學家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科學家中村修二也因此獲得2014年諾貝爾物理學獎,這掀起了寬禁帶半導體在深紫外發光與激光研發的熱潮,并帶來了巨大的經濟和社會效益。
  
  申德振指出,我國在氮化鎵基短波LED領域整體水平與美日等發達國家差距明顯,主要體現在高質量的氮化鎵和氮化鋁同質單晶襯底和低缺陷密度鋁鎵氮的外延生長與高鋁組分鋁鎵氮摻雜工藝等難題。此外,另一種寬禁帶半導體材料氧化鋅具有高的激子束縛能和優異的光學特性,是實現深紫外激光器件的理想材料,將成為鋁鎵氮在深紫外光電領域應用的重要補充,但其目前發展嚴重受限于P型摻雜技術。
  
  為此,與會專家認為,突破高質量同質單晶襯底制備和p型摻雜技術,是帶動寬禁帶半導體紫外發光與激光器件進一步發展的關鍵。同時,寬禁帶半導體的單體點缺陷表征和調控也是亟需解決的關鍵科學和技術難題。因此,我國應加大在寬禁帶半導體發光領域的投入,解決該領域的核心科學和技術難題,爭取擁有更多自主知識產權,推動應用市場的發展。

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