【III族氮化物半導(dǎo)體的研究進(jìn)展綜述報(bào)告4900字】

III族氮化物半導(dǎo)體的研究進(jìn)展綜述報(bào)告目錄TOC\o"1-2"\h\u23009摘要 121665關(guān)鍵詞：III族氮化物；半導(dǎo)體；科技；發(fā)展 118811引言 1154812III族氮化物材料簡(jiǎn)介 2211673III族氮化物半導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀 3222683.1在紫外光電器件領(lǐng)域的研究 3323163.2在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究 344033.3在電力電子器件領(lǐng)域的研究 43730圖片來(lái)源：Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展 6169864我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展III族氮化物半導(dǎo)體的對(duì)策建議 6305344.1明確重點(diǎn)研究方向 6112404.2加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)結(jié)合的基礎(chǔ)研究 718564.3加強(qiáng)行業(yè)聯(lián)盟化建設(shè) 7284644.4加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資金投入 7226355結(jié)論 819655參考文獻(xiàn) 9摘要由于我國(guó)材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，像III族氮化物這類(lèi)第三代半導(dǎo)體村料開(kāi)始被我國(guó)工業(yè)以及電子信息行業(yè)普遍使用，這類(lèi)材料的出現(xiàn)也使得各行業(yè)的研究都有了一定的進(jìn)展。另外，以III族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體和其它領(lǐng)域的交叉學(xué)科也愈發(fā)給研究者們帶來(lái)了更多的驚喜。目前發(fā)展地如火如荼的新能源產(chǎn)業(yè)和科技電器，乃至當(dāng)前的國(guó)防軍工等領(lǐng)域，都能夠見(jiàn)到越來(lái)越多的III族氮化物半導(dǎo)體的身影。但整體上我國(guó)對(duì)于III族氮化物半導(dǎo)體的研究起步相對(duì)較晚，發(fā)展速度較慢。本文正是在這樣的背景下，通過(guò)對(duì)III族氮化物第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展的分析梳理，提出相關(guān)的發(fā)展對(duì)策和建議，以期對(duì)我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展有所裨益。關(guān)鍵詞：III族氮化物；半導(dǎo)體；科技；發(fā)展1引言半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展及其應(yīng)用，對(duì)我們的日常生方式產(chǎn)生了不可估量的影響。以硅、鉻為代表的第一代半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)以及實(shí)用使得我們打開(kāi)了半導(dǎo)體的大門(mén)，尤其是在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過(guò)程中使得集成電路得以大規(guī)模的應(yīng)用和發(fā)展。但隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于半導(dǎo)體材料性能的要求越來(lái)越高，從而引發(fā)了以GaAs以及InP為代表的第二代半導(dǎo)體開(kāi)始逐漸凸顯其作為半導(dǎo)體的性能優(yōu)勢(shì)，在新世紀(jì)前后引發(fā)了又一次的電子工業(yè)革命，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟人類(lèi)開(kāi)始進(jìn)入了光纖通信以及高速寬帶下的大數(shù)據(jù)信息化時(shí)代。由于當(dāng)前時(shí)代是信息時(shí)代，特別是現(xiàn)在半導(dǎo)體性能的逐漸優(yōu)化，由氮化鋁、氮化鎵等所代表的第三代半導(dǎo)體材料開(kāi)始逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)化的實(shí)踐過(guò)程，而其在市場(chǎng)化過(guò)程中也越發(fā)顯現(xiàn)其廣闊的未來(lái)發(fā)展前景。從它們所顯現(xiàn)出的物流和化學(xué)特征來(lái)看，第三代半導(dǎo)體都是直接帶隙半導(dǎo)體，能連續(xù)調(diào)節(jié)0.7-6.2eV帶隙，同時(shí)它們都具有穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)、抗輻射和耐腐蝕等等優(yōu)良的物理和化學(xué)性能。這些材料已經(jīng)在實(shí)踐中證明是發(fā)展光電器件的非常合適的新型材料?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，III族氮化物半導(dǎo)體在未來(lái)有著不可限量的發(fā)展前景。2III族氮化物材料簡(jiǎn)介Ⅲ族氮化物，主要包括BN、AN、GaN、InN、AlGaN、GanN、AlnN和AlGaInN等，經(jīng)過(guò)對(duì)這些物質(zhì)的物理和化學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，它們都是寬帶隙材料，其寬帶隙能夠覆蓋的光波段較廣，除了一般地能夠覆蓋可見(jiàn)光波段之外，這些特殊III族氮化物還能覆蓋很少見(jiàn)到的紫外光譜。氮化物晶格一般有兩種形態(tài)結(jié)構(gòu)，一種是六方對(duì)稱(chēng)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，另一種是立方對(duì)稱(chēng)閃鋅礦結(jié)構(gòu)。如今對(duì)于III族氮化物材料的研究大多是針對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的進(jìn)行研究，尤其是咋廣電領(lǐng)域的應(yīng)用上已經(jīng)取得了較大的突破。專(zhuān)家們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN和AlN的帶隙能量在室溫下分別為3.4eV和6.2eV（圖1）。由于之前認(rèn)為InN的帶隙能量為1.9eV，因此InN和GaN合金的帶隙能量在1.9-3.4eV的范圍內(nèi)，InN和AlN合金的帶隙能量在1.9到6.2eV的范圍內(nèi)。這增加了III族氮化物材料在綠色、藍(lán)色和紫外線(xiàn)范圍內(nèi)的光電器件中的應(yīng)用的吸引力。氮化物這一廣泛的能帶特性，可大大地吸收太陽(yáng)光中的光子，通過(guò)利用該材料原理而制作的太陽(yáng)能電池，可以加大光吸收的效率，還能大大提升光能產(chǎn)業(yè)的發(fā)電效率。與此同時(shí)，III族氮化物材料也常常用作在二極管、化學(xué)傳感器、晶體管等電子器件等高精度的零件的制作上，推動(dòng)了半導(dǎo)體材料及其合金材料在信息通訊以及廣電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。隨著III族氮化物材料在市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中應(yīng)用的越來(lái)越成熟，相對(duì)于以往的第一代和第二代電子材料，III族氮化物材料的市場(chǎng)發(fā)展顯示出巨大的應(yīng)用潛力，成為新世紀(jì)優(yōu)秀材料體系的重要組成部分，如今也愈發(fā)受到了各國(guó)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的重視，成為當(dāng)前重要領(lǐng)域光電器件制備的熱點(diǎn)材料。圖1Ⅲ-氮化物的帶隙能和晶格常數(shù)（實(shí)心矩形），異質(zhì)外延Ⅲ-氮化物作基板的有效晶格常數(shù)（空心圓圈）圖片來(lái)源：III族氮化物第三代半導(dǎo)體材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)3III族氮化物半導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀3.1在紫外光電器件領(lǐng)域的研究在紫外光電領(lǐng)域中最為重要的材料研究便是AlGaN。但是由于國(guó)內(nèi)對(duì)AlGaN材料生長(zhǎng)和器件的研究起步較晚，盡管在這方面也有一些突破，但是從總體上來(lái)看，在技術(shù)水平上上仍落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)和日本在AlGaN方面的研究則較為成熟。對(duì)于III族氮化物半導(dǎo)體在紫外光電器件領(lǐng)域的研究，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所、清華大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)等相關(guān)的科研高校均進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究。就AlGaN基外探測(cè)器而言，國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)和北京大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)和等國(guó)內(nèi)多家科研高校進(jìn)行了有關(guān)AlGaN基外探測(cè)器的研究。3.2在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究我國(guó)一直以來(lái)都大力發(fā)展科技，所以對(duì)于III族氮化物L(fēng)ED器件的研究很早就開(kāi)始了，并通過(guò)相關(guān)的科學(xué)試驗(yàn)也取得了一批批優(yōu)秀的科研成果。其中，由中科院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)、武漢大學(xué)組成的研發(fā)小組，在藍(lán)光LED領(lǐng)域的相關(guān)研究成果已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先的水平。而在三維納米材料的領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)對(duì)于三維納米材料的研究也主要集中在各大高校，例如，華中科技大學(xué)，深圳大學(xué)，中山大學(xué)等。現(xiàn)在，關(guān)于三維納米材料的研究已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種尺寸納米柱LED的光致發(fā)光。此外，還對(duì)微納結(jié)構(gòu)表面等離激元強(qiáng)結(jié)構(gòu)，得到了LED發(fā)光增強(qiáng)提高的結(jié)果，從而在很大程度上提高了白光LED的質(zhì)量。而在硅基LED相關(guān)的技術(shù)研發(fā)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)等國(guó)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)高校和相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)也先后對(duì)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)。從當(dāng)前的整體研究發(fā)展來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)硅基LED研發(fā)水平較高，處于世界領(lǐng)先地位。其中南昌大學(xué)成功研制出超大功率高效硅基片藍(lán)光LED芯片，并已經(jīng)進(jìn)行了規(guī)?；a(chǎn)。3.3在電力電子器件領(lǐng)域的研究當(dāng)前，清華大學(xué)、北京大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所等相關(guān)高校和一些重要的科研機(jī)構(gòu)如今已成為我國(guó)在半導(dǎo)體電力電子器件研究領(lǐng)域的支柱力量。在這其中，由北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)研發(fā)的4-6英寸硅襯底A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣室溫度電子遷移率在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下已經(jīng)能夠達(dá)到2240cm2/Vs，這樣的成績(jī)毫無(wú)疑問(wèn)是居于當(dāng)前已有的先進(jìn)水平。除了眾多高校對(duì)于電力電子器件領(lǐng)域的研究之外，我國(guó)的許多企業(yè)開(kāi)始在氮化硅基電力電子領(lǐng)域進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，如顧星等通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間合成了一系列類(lèi)型的InGaN納米結(jié)構(gòu)材料（圖2）?？自聥鹊妊芯苛送ㄟ^(guò)磁控濺射法制備的In富裕InxAl1-xN薄膜的透射光譜和吸收系數(shù)（圖3）。InAlN通常生長(zhǎng)在GaN或AlN層模板上。(a)納米環(huán)（插圖為放大尺寸圖）；（b）納米點(diǎn)；（c）納米箭（插圖為剖面圖）圖2InGaN納米結(jié)構(gòu)SEM圖圖片來(lái)源：Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展（a）透射光譜；（b）平方吸收系數(shù)α2圖3不同濃度InxAl1-xN薄膜的光學(xué)性質(zhì)圖片來(lái)源：Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展如此以來(lái)在這樣的發(fā)展背景下硅基電子材料和器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程才得以在市場(chǎng)發(fā)展中迅速推進(jìn)。就III族氮化物半導(dǎo)體的材料與器件的研究進(jìn)展而言，當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究比較深入的主要的科研院校和科研機(jī)構(gòu)有是國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)以及中科院半導(dǎo)體研究所等。4我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展III族氮化物半導(dǎo)體的對(duì)策建議按照我國(guó)目前的情況，以III族氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料的研究正在不斷的改進(jìn)和完善。同時(shí)，應(yīng)注意完善半導(dǎo)體材料與器件的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開(kāi)發(fā)新的表征方法。重視氮化物電子器件材料外延生長(zhǎng)平臺(tái)的建設(shè)和工藝的建立，旨在推動(dòng)氮化物半導(dǎo)體器件產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。其中，重點(diǎn)是氮化物材料的高Al和In外延生長(zhǎng)，制備用于紫外波段和發(fā)光器件的自支撐氮化鎵襯底，高效藍(lán)綠量子結(jié)構(gòu)外延和紅光LED，LDS和工業(yè)GaN異質(zhì)結(jié)在同質(zhì)Si襯底上的擴(kuò)展、外延、射頻器件和電力電子的工業(yè)化。4.1明確重點(diǎn)研究方向按照現(xiàn)在我國(guó)在報(bào)道體材料上的研究進(jìn)展以及發(fā)展方向，需要將高A1組分、高In組分以及氮化鋁和氮化鎵襯底，并且要把紫外、藍(lán)綠紅光LED和LDs材料的生產(chǎn)建立一定的規(guī)模，發(fā)展一條高效的產(chǎn)業(yè)鏈，并且還要將其作為研究重點(diǎn)來(lái)研究，而在商業(yè)化應(yīng)用上，需要把產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延及射頻器件及其電力電子器件的制備及產(chǎn)業(yè)化上，從而形成前端研究、后端生產(chǎn)的更加完整的發(fā)展價(jià)值鏈，從而才能使得我國(guó)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能夠有更加健康的發(fā)展體系，從而才能使得產(chǎn)業(yè)獲得更加長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。4.2加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)結(jié)合的基礎(chǔ)研究我國(guó)在將來(lái)的第三代半導(dǎo)體材料的研究過(guò)程中也要注意產(chǎn)學(xué)結(jié)合，并且以此為基礎(chǔ)提升材料和器件研究的協(xié)同能力，明確材料和器件之間的關(guān)系，從而反過(guò)來(lái)去增強(qiáng)基礎(chǔ)研究的深度。形成更加良好的發(fā)展體系，如此才能提高源頭創(chuàng)新的比重。我們需要認(rèn)識(shí)到我國(guó)對(duì)于III族氮化物半導(dǎo)體的研究大多集中在各大知名高校中，因此其中涉及的產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題則需要我們重點(diǎn)關(guān)注，在這樣的發(fā)展局勢(shì)下便需要進(jìn)一步強(qiáng)化各大高校的研究單位與各個(gè)企業(yè)之間的緊密的互動(dòng)與聯(lián)系，形成產(chǎn)學(xué)研整體價(jià)值鏈，從而發(fā)明出一套一體化的、工業(yè)化的產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步為我國(guó)III族氮化物半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化研究提供參考意見(jiàn)。4.3加強(qiáng)行業(yè)聯(lián)盟化建設(shè)加強(qiáng)行業(yè)聯(lián)盟建設(shè)是加快III族氮化物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化迅速發(fā)展和成熟的重要方法。我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到當(dāng)前國(guó)外研究III族氮化物半導(dǎo)體的研究在整體上比我國(guó)要早，取得的科研成果也更加豐富，III族氮化物半導(dǎo)體的許多核心技術(shù)都由國(guó)外掌控。因此，我國(guó)關(guān)于III族氮化物半導(dǎo)體的研究要想能夠彎道超車(chē)，則必須加強(qiáng)行業(yè)聯(lián)盟化建設(shè)?？梢约訌?qiáng)和拓展以中科院半導(dǎo)體研究所、清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等高等院校和科研機(jī)構(gòu)為核心的III族氮化物半導(dǎo)體第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、半導(dǎo)體照明聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，從而形成更加高效的第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新基地以及其他重點(diǎn)研發(fā)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的國(guó)家級(jí)平臺(tái)，形成更加完整的產(chǎn)學(xué)研價(jià)值一體化體系，通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合形成規(guī)模效應(yīng)，從而增強(qiáng)高新技術(shù)的轉(zhuǎn)化能力和產(chǎn)業(yè)化能力。4.4加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資金投入要想使得我國(guó)III族氮化物半導(dǎo)體行業(yè)能夠獲得持續(xù)不斷的發(fā)展，那么大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資則是必不可少的。從當(dāng)前我國(guó)的產(chǎn)業(yè)形勢(shì)來(lái)看，我們應(yīng)當(dāng)大力鼓勵(lì)我國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)去發(fā)展III族氮化物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化，尤其是我國(guó)廣電產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的珠三角、長(zhǎng)三角地區(qū)，更加應(yīng)該做好充分的準(zhǔn)備，做好關(guān)于第三代半導(dǎo)體的未來(lái)發(fā)展投入，充分借鑒國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)先進(jìn)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)高水平的人才團(tuán)隊(duì)，充分利用我國(guó)的高校資源，做好產(chǎn)學(xué)研的一體化服務(wù)。從國(guó)家角度來(lái)講，也應(yīng)該去積極協(xié)國(guó)家和社會(huì)資本關(guān)于III族氮化物半導(dǎo)體的研發(fā)投入的方向，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、互利共贏，從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。5結(jié)論隨著世界各國(guó)對(duì)于III族氮化物半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)一步深入，我們對(duì)于III族氮化物的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越清晰。相對(duì)于以往的第一代和第二代電子材料，III族氮化物材料的市場(chǎng)發(fā)展顯示出巨大的應(yīng)用潛力，成為新世紀(jì)優(yōu)秀材料體系的重要組成部分，如今也愈發(fā)受到了各國(guó)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的重視，成為當(dāng)前重要領(lǐng)域光電器件制備的熱點(diǎn)材料。但在實(shí)踐過(guò)程中我們也意識(shí)到III族氮化物半導(dǎo)體也存在一些問(wèn)題，例如產(chǎn)物純度和產(chǎn)率較低，大規(guī)模商業(yè)化較難以及應(yīng)用領(lǐng)域還顯得較為狹窄等等。但是我們可以確信的是，半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展及其應(yīng)用，對(duì)我們未來(lái)的日常生方式將會(huì)產(chǎn)生了不可估量的影響，因此我們有必要弄清當(dāng)前III族氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)展及其未來(lái)的趨勢(shì)，從而更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)國(guó)家之間關(guān)于新科技和新材料的競(jìng)爭(zhēng)。

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