以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第3代半导体材料迅猛发展，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高铁、能源互联网等重点领域发展的核心材料。而以氮化铝(AlN)、金刚石、氧化镓(Ga2O3)等为代表的超宽禁带半导体材料正凭借着更优异的高频功率特性、高温性能稳定和低能量损耗等优势引起了学术界的广泛关注，将逐渐发展成为支撑信息、 能源、 交通、 先进制造、 国防等领域发展的重点新材料。

一、概述

NO.1

禁带宽度是指一个能带宽度﹝单位是电子伏特(eV)﹞，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料基本物理性质均与禁带宽度相关，禁带宽度越窄，材料的物性倾向于金属，反之则倾向于绝缘体。现有半导体材料根据禁带宽度不同分为：窄禁带半导体材料﹝带隙小于2.3eV的锗、硅及III-V价元素等﹞、宽禁带半导体材料(带隙3.3-3.4eV的SiC、GaN)及超宽禁带半导体材料﹝带隙大于3.4 eV的AlGaN /AlN、金刚石、Ga2O3及氮化硼(BN)等﹞。

　超宽禁带半导体(Ultrawide-bandgap semiconductors，半导体)带隙均大于GaN(3.4eV)，其击穿电场、热导率、电子迁移率等性质，以及耐高压、耐高温、高频、抗辐射能力均优于现有已经应用的宽禁带半导体材料。在超高压电力电子器件、射频电子发射器、深紫外光电探测器、量子通信和极端环境应用等领域有巨大的应用前景。

二、超宽禁带半导体分类及应用领域

NO.2

1中列出了AlN、金刚石、Ga2O3和BN等材料的重要物理性质及相应的应用范围。通过数据对比可知，4种不同的UWBG半导体材料特性不一致，每一种都至少在其中一个重要物理性质上表现不佳，如AlN和Ga2O3不能进行p型掺杂;金刚石衬底质量与尺寸受限等。这一特征从本质上决定了其应用领域及潜在应用需求的不同。

1金刚石

金刚石，室温下间接带隙禁带宽度为5.47 eV。金刚石属立方晶系，其特殊的晶体结构和强的碳-碳(C-C)键相互作用使其具有极高的击穿电场、极高的功率容量、极高热导率、低介电常数、高饱和载流子速度和迁移率、化学稳定性和发光特性。更为重要的是其各种优越性质的综合体现，使得金刚石成为最有潜力的宽带隙半导体材料，可应用于大功率电力电子器件、毫米波器件、高频电子器件、激光器器件及量子信息传输等。

2氧化镓

Ga2O3禁带宽度为 4.2～5.3 eV(不同晶体结构导致带隙差别)。与宽禁带半导体材料相比，Ga2O3拥有高的击穿场强(8 MV/cm)、低的能量损耗、高的热稳定性和化学稳定性等优势。在电力电子器件如场效应晶体管、日盲紫外光电探测器、紫外透明导电电极、LED 基板、信息存储器、气敏传感器、光催化等领域中展现出巨大的应用前景，是一种极具应用潜力的多功能超宽禁带氧化物半导体材料。

　　Ga2O3有5种同分异构体，分别为α、 β、γ、δ、ε，这5种晶相分别有各自的特点，这些性质决定在不同领域具有潜在应用：1 Ga2O3为刚玉结构，在 M2O3结构中(其中 M 为金属，如：M = Cr, Fe, V, Ti, Al, In, Rh 等)，以刚玉结构α相最为常见，而这些化合物往往具有丰富的物理性质，应用领域极为广泛。如 α-Al2O3既是综合性能优良的红外窗口材料，也是铁电体材料及多种外延薄膜的衬底材料。α- Ga2O3可以与这些刚玉结构的α-M2O3材料形成连接固溶体化合物，结合它们各自的优点，制备功能化的器件。

　　另外，α- Ga2O3带隙较其他结构相比要大，可达5.3 eV。2β- Ga2O3属于单斜晶系，为阴离子密堆积结构，镓原子有两种不同的位置，分别被氧原子包围构成正四面体和正八面体，氧原子有3种不同的位置。相比于其他晶相，β- Ga2O3最显著的特点是具有优异的热和化学稳定性,在高温、高频、大功率电子器件如场效应晶体管等领域有着潜在的应用前景。由于合适的带隙(-4.9eV)，β- Ga2O3还是理想的日盲光电探测器材料。β- Ga2O3具有高的紫外可见光透过率(对波长大于 254 nm 透过)，通过掺杂容易获得良好的 n 型导电，同时具有良好的电导率和高的光学透过率，可用作为深紫外透明导电电极。

目前，应用最广泛的为β- Ga2O3，已经开展相关的金属-半导体场效应晶体管(MESFET)研究工作。3γ- Ga2O3属于立方晶系，为有阳离子缺陷的尖晶石结构。在γ- Ga2O3中阴离子与阳离子的比值为 3:2，具有高的光催化活性，能降解有机染料、分裂水产生氢气(H2)、还原二氧化碳(CO2)，是一种高效的光催化剂。Mn 离子掺杂容易获得 γ- Ga2O3，并表现为室温铁磁性，是一种稀磁半导体材料。同时，自带阳离子缺陷的γ- Ga2O3还是高效的发光材料。4δ- Ga2O3属于立方晶系，具有本征铁电特性。目前仅处于研究阶段。

3氮化铝

氮化铝(AlN)的直接带隙禁带最大宽度为6.2 eV，相对于间接带隙半导体有着更高的光电转换效率。AlN作为重要的蓝光和紫外发光材料，应用于紫外/深紫外发光二极管、紫外激光二极管以及紫外探测器等。此外，AlN可以和III族氮化物如GaN和InN形成连续的固溶体，其三元或四元合金可以实现其带隙从可见波段到深紫外波段的连续可调，使其成为重要的高性能发光材料。同时，AlN晶体是GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想衬底。与蓝宝石或SiC衬底相比，AlN与GaN热匹配和化学兼容性更高、衬底与外延层之间的应力更小。因此，AlN晶体作为GaN外延衬底时可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，在制备高温、高频、高功率电子器件方面有很好的应用前景。同时，用AlN晶体做高铝(Al)组份的AlGaN外延材料衬底还可以有效降低氮化物外延层中的缺陷密度，极大地提高氮化物半导体器件的性能和使用寿命。基于AlGaN的高质量日盲探测器已经获得成功应用。此外，AlN具有很高的非线性光学系数，可应用于二次谐波发射器。

4BN

BN禁带宽度为6.0 eV，具有更低的介电常数(7.1 eV)、更高的击穿电场(7～9 MV/cm，是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上)和更高的热导率〔13 W/(cm K)，是Si和GaN的10倍〕。作为极端电子学材料，BN不仅可用于制备高温、高频、大功率等极端条件下工作的电子器件，在深紫外发光器件和深紫外探测器方面也有着广泛的应用前景，与GaN、SiC等传统宽带隙半导体材料一起构成了从蓝绿光到深紫外的全波段发光材料，是宽禁带半导体发展的新方向。

　　BN有3种同分异构体，分别为h-BN(六边形结构)、r-BN(菱形)、t-BN(涡轮式)。h-BN具有与石墨类似的层状结构，可以形成与石墨烯类似的二维原子晶体，具有极高的面内弹性模量、原子级平滑的表面、良好的机械性能等优点。同时，氮化硼与石墨烯晶格失配很小(1.7 %)，石墨烯可以均匀紧密地铺展在氮化硼衬底上，有利于还原其极高的载流子迁移率，因此，BN也被认为是石墨烯或其他二维原子晶体理想的衬底或栅介质材料。

超宽禁带半导体国内外研究进展

半导体材料的发展必然要依赖于后期器件的开发应用，而器件的开发应用同时受制于材料的发展。超宽禁带半导体材料具有巨大的应用前景，依赖于该类材料自身的发展。世界上很多国家已经把超宽禁带半导体材料作为宽禁带半导体的重要组成部分，将其相关研究列入重点发展计划。

　　美国从2002年开始启动“半导体紫外光光源”研究计划，投资4 500万美元，主要任务是研究AlN等宽禁带化合物半导体晶体的生长技术及其在发光器件方面的应用。

　　日本于2004年也相应地启动了“高效率紫外发光半导体”研究计划，投资2.5亿日元。

　　2013年，美国奥巴马政府宣布成立“清洁能源制造创新学院”，该学院重点聚焦“宽禁带半导体电力电子器件”技术的研究和发展，以生产成本更低、性能更好的电子产品，满足未来的电力需求。

　　我国科学技术部于2015年通过国家重点研发计划对宽禁带半导体材料和衬底的研究给予近3 000万元的资助，提升国内宽禁带半导体材料和器件的水平。2018年国家重点研发计划“战略先进电子材料”专项中布局了“第3代半导体材料与半导体照明”方向，其中包含超宽禁带半导体材料。

　　目前，国内外超宽禁带半导体材料相关研究均处于前沿研究阶段，并没有成熟的产品应用于市场。相关研究重点聚焦的方向主要为高品质单晶衬底和外延材料的生长、掺杂等，材料加工和器件制备的关键工艺突破。