在半导体领域，有一个术语叫带隙，是指导带和价带之间的带隙(单位是电子伏特(ev))。众所周知，固体中电子的能量是不能连续取的，而是一些不连续的能带。要导电，必须有自由电子或空空穴。自由电子存在的能带称为导带(可以导电)，自由空空穴存在的能带称为价带(也可以导电)。束缚电子要成为自由电子或空空穴，必须获得足够的能量从价带跳到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。半导体材料的基本物理性质都与禁带宽度有关。禁带宽度越窄，材料的物理性质倾向于金属，反之，则倾向于绝缘体。

现有的半导体材料可分为窄带隙半导体材料(包括锗、硅和GaAs)、宽带隙半导体材料(SiC、GaN等)。)和超宽带隙半导体材料(AlGaN、金刚石、氧化镓等。带隙大于3.4eV)。

今天我们介绍一种新的超宽带隙材料(UWBG)，这种材料正处于起步阶段，具有优异的性能，但还未能制成大块单晶。

UWBG:超高效材料

超宽带隙半导体(UWBG)的出现为许多领域带来了新的机遇，因为它们具有许多优越的性能。UWBG的带隙比硅(si，带隙1.1eV)、宽带隙半导体(GaN，带隙3.4eV)、碳化硅(SiC，带隙3.3eV)要宽得多。其中氧化镓(Ga2O3)、氮化硼(c-BN)、氮化铝镓(AlGaN)等材料是UWBG的典型代表。本文将介绍这些超宽禁带半导体材料在电子设计中的潜在应用。

WBG

在了解UWBG半导体之前，先回顾一下宽带隙WBG半导体。g半导体比同等硅器件更小、更快、更高效。带隙是材料的基本性质，带隙的大小有助于决定材料的导电性和晶体管的性能。WBG材料可以使器件在高电压、高频和高温条件下工作，并且随着研究的深入，宽禁带材料已经开始影响到功率转换系统。

WBG设备还可以在更具挑战性的操作条件下提供更高的可靠性。在电力电子领域，与硅相比，WBG具有损耗低、效率高、开关频率高、工作温度高、在恶劣环境下具有鲁棒性、击穿电压高、应用范围广等优点。从工业功能，如电机驱动器和电源，到汽车和运输系统，包括混合动力和电动汽车(HEV/EV)、光伏(PV)逆变器、铁路和风力涡轮机。生产这些产品的供应商也遍布世界各地:

GaN系统

英飞凌科技公司

在半导体上

Qorvo

罗姆半导体公司

意法半导体

Wolfspeed/Cree

作为行业领导者，科锐进入WBG已有一段时间，其产品组合包括MOSFET、肖特基二极管、整流器、LED灯等。2011年，科锐推出SiC MOSFET Z-FET线，是目前业界效率最高的，也提高了功率开关应用的可靠性。

UWBG半导体的分类

阿尔甘

GaN是WBG半导体的典型代表。当铝与氮化镓反应时，就诞生了一种UWBG半导体AlGaN。它通常在3.4eV-6.2eV的范围内。AlGaN通常用于生产发光二极管(led)和激光二极管。这样使用AlGaN是因为它的带隙可以使光在大约220nm-450nm的范围内。它也用作紫外线探测器和高电子迁移率晶体管(HEMT)。

氮化铝(AlN)

去除镓并将铝与一氧化氮结合将产生氮化铝(AlN)。和AlGaN一样，AlN也常用于光电产品，比如紫外(UV) Led灯。AlN的带隙为6.1eV，导热性优异，化学稳定性好。它可以更早地工作在更高的频率和功率。

立方氮化硼(C-BN)

硼和氮的化合反应可以生成氮化硼，其中一种是立方氮化硼(C-BN)。C-BN的带隙宽度为6.4eV，这种化合物的独特之处在于它类似于金刚石和纯碳，C的带隙为5.5 eV。在自然界中，金刚石是最硬的材料，而C-BN没有金刚石硬，但它提供了更高水平的化学和热稳定性。

氧化镓(Ga2O3)

Ga2O3的带隙为4.9eV，是无机化合物，可以说是镓的氧化版。Ga2O3有五种异构体，即α、β、γ、δ和ε。这五种晶相各有特点，其中最稳定的是β-异构体，在不同领域有潜在的应用。它主要用于光电应用。2019年，日本科学家发现α-Ga2O3的禁带宽度为5.3EV，优于β-Ga2O3，还可以解决P型掺杂的问题。遗憾的是，目前国际上还没有α-Ga2O3块体单晶材料制备的相关报道。科学家们正在探索通过熔体生长制造低成本、大直径大块单晶晶片的可能性。如果能尽快攻克α-Ga2O3单晶材料的制备难点，我们相信α-Ga2O3大块单晶材料有望在未来的高端功率器件领域得到应用。

表1:几种UWBG材料的带隙特性。

氧化锡(SnO2)单晶材料

氧化锡(SnO2)是一种新型的宽带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为3.6eV。由于其良好的可见光透过率、低电阻率和稳定的物理化学性能，被广泛应用于气体传感器、透明导电膜、光电器件等领域。

但由于之前受限于晶体制备技术，无法制备出高质量的块状单晶材料，因此无法开展氧化锡在电力电子器件中的研究工作。直到最近，德国莱布尼茨晶体研究所在熔融法制备氧化锡(SnO2)单晶技术上取得了突破，制备出了小尺寸的氧化锡(SnO2)单晶材料。相信这将对氧化锡(SnO2)超宽带隙材料的发展起到重要的推动作用。类似氧化锡宽禁带材料，氧化铟(In2O3)材料等等。

钻石

金刚石，间接带隙的带隙宽度在室温下为5.47eV。金刚石属于立方晶系，其特殊的晶体结构和强的碳碳键相互作用使其具有极高的击穿电场、极高的功率容量、极高的热导率、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。更重要的是，其各种优越性能的综合体现，使金刚石成为最具潜力的宽禁带半导体材料，可应用于大功率电力电子器件、毫米波器件、高频电子器件、激光器件和量子信息传输。

对电力电子设备的影响

WBG半导体实现了更高效和紧凑的功率转换，并提供了更低的欧姆损耗。发掘UWBG半导体材料的潜力是为了实现功率密度的某种未知数量级的提高，是从Si到WBG元件的转变。UWBG半导体还提供了在没有热击穿或可靠性问题的情况下切换大范围电压的可能性。例如，AlGaN的Ron值可能比GaN的低10倍。UWBG还拥有:

高频下的高效率

低欧姆损耗

更高的可靠性

更好的品质因数FOM

为了产生更高的功率密度(瓦特/面积a3)，工程师们使用性能指数(FOM)来评估它。较低的FOM值意味着较低的功率损耗。

UWBG的优势

在中频范围(1kHz到1MHz)的高电压下，UWBG比WBG更有优势。由于对性能的其他影响，这种好处在低频和高频时不太明显。

与WBG相比，UWBG的优势在于击穿电压随着带隙的增加而增加。生长有较厚漂移区的UWBG半导体器件显示出较高的击穿电压。AlGaN器件中的高AL成分提供了更高的击穿电压。但是，有一个缺点。这些高铝能级也导致更高的电子迁移率。导热性也有类似的问题。

UWBG还可以为射频(RF)设备提供优势。AlGaN比GaN产生更好的J-FOM(一种品质因数),因为它具有更高的临界电场(Ec)。这种强尺度的带隙临界电场可以优化FOM，这为超越现有电力电子的边界提供了巨大的潜力。

UWBG:潜力深不可测

目前，研究人员正在对基础材料进行进一步研究。他们正在寻找如何有效地生长体和外延UWBG半导体。以便优化掺杂过程和表征材料，同时减少潜在的缺陷。特别是随着Al含量的增加，P型掺杂提出了挑战。

理论上，热激活气孔对高铝合金是不可行的。在物理学中，实验一直与在各种电子场条件下有效支持电子传输的最佳方式有关。光学性质和电击穿给物理学家带来了新的挑战，他们试图利用这些挑战。但考虑到设备架构、封装、制造和加工，产品需要商业化。每个边缘端子对于防止过早击穿都很重要。因此，研究人员正在收集能够证明UWBG好处的应用信息。

结论

UWBG代表了下一代超高性能大功率电子产品。具有较高的带隙、热导率和相对稳定性等特点，在国防科技和新一代深紫外电气器件、高压大功率电力电子器件、射频器件等重要关键应用领域具有明显优势和巨大发展潜力。同时，世界上许多国家都将UWBG材料作为宽带隙半导体的重要组成部分，其相关研究被列入重点发展计划。

从2002年开始，美国开始了“半导体紫外光源”的研究项目，投资4500万美元。其主要任务是研究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中的应用。2004年，日本也启动了投资2.5亿日元的“高效紫外光发光半导体”研究计划。2013年，奥巴马政府宣布成立“清洁能源制造创新研究所”，致力于研发“宽带隙半导体电力电子器件”技术，生产成本更低、性能更好的电子产品，以满足未来的电力需求。

2015年，中国科技部通过国家重点RD计划资助宽禁带半导体材料和衬底研究近3000万元，提升了国产宽禁带半导体材料和器件的水平。2018年，国家重点研发计划“战略性先进电子材料”布局了“第三代半导体材料与半导体照明”方向，其中包括超宽带隙半导体材料。

可以看出，在研究人员不断了解UWBG在未来电子设计中的潜在优势和应用的同时，创新将不断激发新的进步，这也有望帮助设计师超越当前的局限。随着科学家和设计师开发的技术的改进，我们期待将UWBG半导体的卓越性能融入到设计中。