[科普中國]-寬帶隙半導體

室溫下，Si的帶隙為1.1eV，GaAs的帶隙為1.43eV，一般把室溫下帶隙大于2.0eV的半導體材料歸類于寬帶隙半導體，寬帶隙半導體在藍、紫光和紫外光電子器件，高頻、高溫、高功率電子器件及場發(fā)射器件方面應用廣泛。

美、日、歐寬帶隙半導體技術(shù)發(fā)展美國、日本和歐盟等國在SiC、GaN和金剛石等寬帶隙半導體器件與電路研究中已取得多項里程碑性的進展，這些飛速發(fā)展已經(jīng)證實寬帶隙半導體是當之無愧的新一代半導體材料，并將替代Si和GaAs應用于相控陣雷達、高保密通信及其他重要設(shè)施等諸多國防和航空領(lǐng)域。1

發(fā)展寬帶隙半導體技術(shù)上的重大舉措20世紀80年代之后，隨著寬帶隙半導體技術(shù)研究的不斷深入，這項技術(shù)的軍事及其他應用優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，以美國、日本和歐盟為代表的電子技術(shù)強國紛紛對寬帶隙半導體技術(shù)展開系統(tǒng)研究，并制訂了多項以提高本國軍事、宇航及其他重要系統(tǒng)可靠性為目的的寬帶隙半導體技術(shù)開發(fā)計劃。

基于寬帶隙半導體材料特有的技術(shù)優(yōu)勢，世界各國對這種新型半導體技術(shù)給予了令人驚異的關(guān)注。當然，各個國家出于不同應用目的的考慮，預期目標也略有不同，例如，美國和歐盟制訂的寬帶半導體技術(shù)發(fā)展計劃大多以軍事和宇航為應用目標，而日本的重點則放在開發(fā)可大批量應用的照明與顯示領(lǐng)域。1

發(fā)展狀況作為新一代武器裝備電子化、智能化、集成化和微型化的核心技術(shù)，第三代半導體即寬帶隙半導體技術(shù)已 經(jīng)以其集器件 體積小、重量 輕、穩(wěn)定性好、可靠性高、功耗低等特點于一身的優(yōu)勢得到美國、日本和歐盟等許多發(fā)達國家的特別關(guān)注。 這些國家實施的多項寬帶隙半導體技術(shù)發(fā)展計劃必將使寬帶隙半導體技術(shù)研究不斷躍上新的臺階，使各種寬帶隙半導體器件成為衛(wèi)星通信、高速計算機、精確制導、預警探測、情報偵察、電子對抗、智能火控等軍事系統(tǒng)裝備必不可少的重要元器件。1

寬帶隙半導體器件仿真中收斂性問題的分析針對寬帶隙半導體器件仿真中常見的不收斂性問題，通過分析數(shù)值求解算法與寬帶隙半導體材料的固有特性知道，其原因是少子濃度過低，從而提出3種引入平衡或非平衡少子的解決方案。ISE仿真結(jié)果表明，采用提出的方案在解決收斂性同時能保證求解結(jié)果正確性，并且對剛開始進行寬帶隙半導體器件仿真設(shè)計的本科生有很大幫助。2

收斂性問題及其解決方案方案 1、引入光生載流子：通過光照引入非平衡載流子以調(diào)整少子濃度。仿真中采用調(diào)整光照強度與半導體光吸收系數(shù)控制少子濃度。由于引入的少子濃度遠小于器件多子濃度，因此不會影響器件的靜態(tài)特性。由于需要在仿真過程中始終保持光照，不利于瞬態(tài)特性分析。

方案 2、調(diào)整禁帶寬度值：器件仿真軟件對雪崩碰撞離化系數(shù)與本征載流子濃度取值分別建立獨立的模型表征，因此改變禁帶寬度值并不會影響器件擊穿特性，僅需將寬帶隙半導體的禁帶寬度值修正為Si材料的取值。這一方案易操作，但在器件中存在PN結(jié)時，會影響結(jié)的內(nèi)建勢壘高度，從而影響耗盡層形狀，造成求解結(jié)果偏差。

方案 3、調(diào)整少子有效狀態(tài)密度值：對于多數(shù)載流子器件，通過改變Nc或Nv，將少子濃度值調(diào)整到Si材料對應量級。由于僅對少子有效狀態(tài)密度調(diào)整，不會改變費米能級在禁帶中的位置，同時不需修正禁帶寬度，因而不會對 PN結(jié)內(nèi)建勢壘高度產(chǎn)生影響。2

ISE仿真實驗針對上節(jié)提出的3種解決方案，采用 ISE器件仿真器對Si與4H-SiC肖特基二極 管進行驗證。不采取任何提高少子濃度措施下的4H-SiC肖特基二極管反向 I-V特性?？梢?，在陰極偏壓近400V時電流為負值，而在520V左右程序不收斂，仿真器中止求解。

對3種收斂性問題解決方案下反向I-V特性對比。由于提高了少子濃度，3種方案均收斂。方案2與方案3分別通過將禁帶寬度Eg調(diào)整為Si材料取值 (1.12eV)，NV調(diào)整為1.58×55cm-3，得出的擊穿電壓為525V，方案1為506V。方案2、3將ni相同，因此具有相同的擊穿電壓，相對于方案1的偏差為3.8%。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

胡啟洲 - 副教授 - 南京理工大學