Применение Bandgap Engineering для повышения производительности полупроводниковых устройств

Инженерия Bandgap представляет собой одну из самых мощных технологий в современной физике полупроводников и конструкции устройств. Точно контролируя энергетический разрыв между валентностью и полосами проводимости полупроводниковых материалов, инженеры и исследователи могут адаптировать электронные и оптоэлектронные устройства для удовлетворения конкретных требований к производительности. Этот сложный подход произвел революцию во многих отраслях, от телекоммуникаций и вычислительной техники до возобновляемых источников энергии и медицинской визуализации, что позволяет устройствам быть быстрее, эффективнее и универсальнее, чем когда-либо прежде.

Фундаментальный принцип, лежащий в основе технологии Bandgap, прост, но глубок: Bandgap полупроводника определяет его электрическую проводимость, оптические характеристики поглощения и излучения и тепловые свойства. Путем манипулирования этим критическим параметром с помощью различных методов, разработчики устройств могут оптимизировать показатели производительности, такие как рабочее напряжение, скорость переключения, потребление энергии и излучение света или детектирование, специфичное для длины волны. Эта способность становится все более важной, поскольку технологические требования раздвигают границы того, что могут достичь обычные устройства на основе кремния.

Понимание основ инженерии Bandgap

Полоса пропускания полупроводника — разность энергии между верхней частью валентной полосы и нижней частью проводящей полосы. Этот энергетический разрыв определяет, могут ли электроны быть тепловым или оптическим возбуждением от валентной полосы до проводящей полосы, где они могут участвовать в электрической проводимости. В объемных полупроводниковых материалах этот разрыв полосы является фиксированным свойством, определяемым кристаллической структурой и химическим составом материала.

Однако при уменьшении полупроводниковых структур до наноразмерных размеров или при объединении в гетероструктурах различных полупроводниковых материалов эффективный бандгап может быть модифицирован. Эта модификация открывает исключительные возможности для оптимизации устройства. Инженеры могут проектировать материалы с бандгапами, которые шире или узче, чем естественные полупроводники, или создавать структуры, где бандгап пространственно изменяется в пределах одного устройства.

Важность управления полосовым разрядом распространяется на множество характеристик устройства. Для оптических устройств полосовой разряд непосредственно определяет длину волны света, которая может поглощаться или излучаться. Для электронных устройств он влияет на пороговое напряжение, ток утечки и максимальную рабочую температуру. Для силовой электроники полупроводники с широким разрядом обеспечивают непревзойденные преимущества в энергоэффективности, миниатюризации устройства и высокотемпературной работе.

Широкий и сверхширокий полупроводник Bandgap

Одним из наиболее значительных достижений в области разработки полосовых разрывов стало появление полупроводниковых материалов с широким разрывом (WBG) и сверхшироким разрывом (UWBG). Полупроводниковые устройства с широким разрывом диапазона произвели революцию в мощной электронике, предлагая превосходную эффективность, термостабильность и эксплуатационную надежность в экстремальных условиях, с такими материалами, как нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и алмаз, появляющиеся в качестве ведущих альтернатив для силовой электроники следующего поколения.

Устройства на основе кремния имеют относительно узкий диапазон 1,12 эВ, что ограничивает их способность эффективно работать при высоких напряжениях и температурах. Напротив, карбид кремния имеет диапазон примерно 3,2 эВ, нитрид галлия около 3,4 эВ и алмаз впечатляющий 5,5 эВ. Эти более широкие диапазоны напрямую приводят к превосходным эксплуатационным характеристикам устройства.

Широкополосные материалы демонстрируют более высокие напряжения пробоя, более широкие полосы пропускания и повышенную теплопроводность, что делает их идеальными для применения в аэрокосмической промышленности, электромобилях, системах возобновляемой энергии и высокочастотной связи.Высшее напряжение пробоя позволяет устройствам обрабатывать гораздо более высокие напряжения в меньшем объеме, в то время как повышенная теплопроводность позволяет работать при повышенных температурах без необходимости в обширных системах охлаждения.

Применение карбида кремния

Карбид кремния получил значительную коммерческую тягу в силовых электронных приложениях. Устройства карбида кремния могут выдерживать большие напряжения, температуры и уровни излучения по сравнению с одним только кремнием. Это делает SiC особенно ценным для инверторов электромобилей, где повышение эффективности даже на несколько процентных пунктов может значительно расширить диапазон вождения. Автомобильная промышленность приняла технологию SiC, при этом рынок полупроводников с карбидом кремния, по прогнозам, вырастет с 1,24 миллиарда долларов в 2024 году до 1,57 миллиарда долларов в 2025 году, что отражает совокупный годовой темп роста 26,6%.

Преимущества SiC выходят за рамки автомобильных применений. В системах на основе возобновляемых источников энергии инверторы на основе SiC могут преобразовывать энергию постоянного тока от солнечных панелей в энергию сети переменного тока с более высокой эффективностью и в меньших, более легких пакетах, чем альтернативы на основе кремния. Для промышленных приводов SiC позволяет использовать приводы с переменной частотой, которые работают с меньшими потерями и сниженными требованиями к охлаждению.

Улучшения в нитриде галлия

Нитрид галлия стал еще одним критически важным широкополосным материалом, особенно для высокочастотных и мощных приложений. Рынок полупроводниковых устройств с нитридом галлия, по прогнозам, будет расширяться на уровне CAGR 18,29% с 2025 по 2030 год, достигнув 18,158 млрд долларов к 2030 году. Устройства GaN превосходят в приложениях, требующих как высокой мощности, так и высоких частот коммутации, таких как телекоммуникационная инфраструктура 5G, радиолокационные системы и источники питания быстрой зарядки.

Рынок энергоблоков GaN Server Power Supply Unit Market в 2023 году оценивался в 1,28 млрд долларов США, при этом прогнозы указывают на увеличение с 1,6 млрд долларов США в 2024 году до 9,4 млрд долларов США к 2032 году, что отражает совокупный годовой темп роста примерно на 24,76%. Этот взрывной рост обусловлен спросом на более эффективные источники питания в центрах обработки данных, где даже небольшие улучшения эффективности могут привести к массовой экономии энергии и затрат в масштабе.

Новые сверхширокие материалы Bandgap

Помимо SiC и GaN, исследователи изучают сверхширокополосные материалы, такие как оксид галлия (Ga2O3), нитрид алюминия (AlN) и алмаз. Замена Al на Ga2O3 используется для увеличения пропускной способности, уменьшения тока утечки и создания транзисторов с эффектом поля, легированного модуляцией. Эти материалы обещают еще более высокую работу напряжения и температурную толерантность, чем текущие полупроводники с широким разрывом.

Алмаз, с его исключительной теплопроводностью и чрезвычайно широким диапазоном, представляет собой конечный рубеж в силовых электронных материалах.Исследователи изучают оксидные p-n гетеропереходы, состоящие из Mg:Cr2O3 на Ga2O3, которые работали стабильным образом после воздействия 500 ° C в течение сотен часов и десятков циклов, демонстрируя потенциал для экстремальной окружающей среды электроники.

Квантовый конфайнмент и модификация Bandgap

Квантовое замыкание представляет собой еще один мощный подход к проектированию полосового разрыва, особенно для оптоэлектронных применений. Когда полупроводниковые структуры уменьшены до размеров, сопоставимых или меньших, чем радиус экситона Бора - обычно несколько нанометров - квантовые механические эффекты становятся доминирующими, и эффективный разрыв полосы увеличивается.

При уменьшении размера квантовых точек их эффективный диапазон становится больше и дискретные уровни энергии развиваются на краях полосы как проводящей, так и валентной полосы, при этом эффективный диапазон увеличивается, а дискретные уровни энергии развиваются на краях полосы. Эта настраиваемость полосы позволяет точно контролировать оптические свойства.

Квантовые колодцы и суперрешетки

Квантовые скважины, обеспечивающие эффективное экситонное удержание и сильное взаимодействие света и материи, образуют важный строительный блок для квантовой оптоэлектроники. Квантовая скважина представляет собой тонкий слой узкополосного полупроводника, зажатого между слоями более широкого разрыва материала. Толщина этого слоя - обычно всего несколько нанометров - определяет степень квантового удержания и, следовательно, эффективное разрыв.

Можно влиять на конечные ограниченные состояния, выбирая соответствующую толщину и состав квантовых скважин или барьеров, при этом уменьшающееся осевое измерение автоматически увеличивает энергию соответствующих квантованных состояний, обеспечивая точный контроль, необходимый для получения точно спроектированных светоизлучателей, способных модулировать энергию излучения света до 3,98 эВ.

Суперлаттики расширяют эту концепцию, создавая периодические структуры чередующихся полупроводниковых слоев. Эти структуры могут проявлять свойства, не встречающиеся ни в одном из составляющих материалов, включая модифицированную эффективную массу, улучшенную подвижность электронов и инженерные оптические переходы. Суперлаттики нашли применение в квантовых каскадных лазерах, которые могут излучать свет на длинах волн, определяемых конструкцией суперрешетки, а не в полосе пропускания составляющих материалов.

Квантовые точки для настраиваемой эмиссии

Квантовые точки представляют собой конечную величину в квантовом ограничении, с носителями, ограниченными во всех трёх пространственных измерениях.Основной особенностью полупроводниковых нанокристаллов является квантовый эффект удержания, который приводит к пространственному вложению электронных носителей заряда в нанокристалл, позволяя исследователям использовать размер и форму этих «искусственных атомов» для широкой и точной настройки энергии дискретных электронных энергетических состояний и оптических переходов.

Наиболее важным следствием эффекта квантового удержания является зависимость размера полосового зазора для нанокристаллических полупроводников, причем полосовой зазор настроен на точную энергию в зависимости от размерности и степени удержания. Эта настраиваемость сделала квантовые точки бесценными для приложений, начиная от технологии отображения до биологической визуализации.

Для приложений отображения квантовые точки могут быть спроектированы для излучения чистых насыщенных цветов по всему видимому спектру просто путем управления их размером. Квантовая точка диаметром 2 нанометра может излучать синий свет, в то время как одна с диаметром 6 нанометров излучает красный свет. Этот точный контроль цвета в сочетании с высокой квантовой эффективностью привел к внедрению технологии квантовых точек в премиальных телевизорах и дисплеях.

Материал легирующий для контроля Bandgap

Легирование материалов обеспечивает простой, но мощный метод для проектирования бандгапа. Путем смешивания двух или более полупроводниковых материалов в различных пропорциях инженеры могут создавать сплавы с промежуточными полосами между составляющими материалами. Этот подход обеспечивает непрерывную настраиваемость бандгапа в широком диапазоне.

Наиболее распространенным примером является система AlGaAs (алюминиевый арсенид галлия), где изменение содержания алюминия позволяет непрерывно настраивать бандгап от 1,42 эВ (чистый GaAs) до 2,16 эВ (чистый AlAs). Эта система широко используется в лазерных диодах, светодиодах и транзисторах с высокой электронно-мобильностью. Возможность точного управления бандагом через управление композицией позволяет проектировать гетероструктуры с конкретными выравниваниями полос, оптимизированными для удержания или транспортировки носителя.

В системе III-нитрида сплавы InGaN позволяют осуществлять настройку с 0,7 эВ (InN) до 3,4 эВ (GaN) до 6,2 эВ (AlN), охватывая весь видимый спектр и расширяясь в ультрафиолет. Эта широкая настраиваемость сделала InGaN материалом выбора для твердотельного освещения, позволяя светодиодам, которые излучают любой желаемый цвет от красного до синего и в УФ.

Однако легирование не лишено проблем. Многие системы полупроводниковых сплавов демонстрируют разрывы смешиваемости или разделение фаз при определенных композициях. Кроме того, константа решетки обычно изменяется в зависимости от состава, что может привести к деформации, когда слои сплава выращиваются на подложках или сочетаются с другими материалами. Этим деформацией необходимо тщательно управлять, так как она может как ухудшать производительность устройства за счет образования дефектов, так и обеспечивать дополнительную степень свободы для проектирования безубыточности.

Техника Strain Engineering

В технике растяжения используется тот факт, что механическое напряжение может изменять структуру электронных полос полупроводников. Когда кристалл полупроводника подвергается растяжению или сжатию, изменяется расстояние между атомами, что, в свою очередь, изменяет перекрытие между атомными орбиталями и, следовательно, электронной структурой полос. Это может сместить энергию полосы и изменить эффективную массу носителей.

Нормализованная модуляция бандгапа происходит вдоль ленты около ± 1,5% на процент одноосного деформации в монослое. Эта чувствительность к деформации обеспечивает мощный инструмент для настройки бандгапа, особенно в двумерных материалах, где большие деформации могут применяться без разрыва материала.

В кремниевой технологии тензоинженерия стала стандартной техникой повышения производительности транзисторов. При выращивании кремния на расслабленном слое SiGe (кремний-германий) в кремниевый канал может быть введен растягивающий штамм. Этот штамм модифицирует структуру полосы способами, которые увеличивают подвижность электронов, позволяя быстрее переключать транзисторы. Современные высокопроизводительные процессоры в значительной степени полагаются на эту тензоинженерию для достижения своих целей производительности.

Для оптоэлектронных устройств деформация может использоваться для настройки длин волн излучения или для преобразования непрямых ленточных материалов в прямые ленточные материалы.Способность применять и контролировать деформацию посредством выбора подложки, конструкции эпитаксиального слоя или внешних механических средств обеспечивает разработчикам устройств дополнительный параметр для оптимизации.

Гетероконструкция и выравнивание полос

Когда два разных полупроводниковых материала вступают в контакт, они образуют гетеропереход. Относительное выравнивание проводящих и валентных полос на этом интерфейсе, известное как выравнивание полос или смещение полос, критически определяет, как носители ведут себя на стыке. Инженерия Bandgap позволяет точно контролировать эти выравнивания полос для оптимизации производительности устройства.

Существует три типа выравнивания полос: тип I (штрейдлинг), тип II (штампованный) и тип III (разбитый зазор). В выравнивании типа I края проводящей и валентной полос одного материала лежат в пределах полосы другого. Эта конфигурация ограничивает как электроны, так и отверстия в материале узкого разрыва, что делает его идеальным для светоизлучающих устройств, где требуется радиационная рекомбинация.

Выравнивание типа II, где диапазон проводимости минимум одного материала лежит ниже, чем у другого, но максимум валентной полосы показывает противоположную зависимость, может быть использовано для пространственного разделения электронов и дырок. Это ценно для уменьшения рекомбинации в солнечных элементах или для создания долгоживущих заряд-разделенных состояний в фотокаталитических приложениях.

Гетерогенная интеграция полупроводников с широким диапазоном и 2D-материалов становится перспективным способом решения различных проблем, с которыми сталкиваются WBG. Этот подход сочетает в себе преимущества различных материальных систем для создания устройств со свойствами, превосходящими те, которые любой материал может достичь в одиночку.

Приложения в устройствах с легкими эмиттами

Технология Bandgap произвела революцию в технологии светоизлучающих устройств, позволяя светодиодам и лазерным диодам, которые работают по всему электромагнитному спектру от глубокого ультрафиолетового излучения через видимый свет до среднего инфракрасного излучения. Способность точно контролировать длину волны излучения через Bandgap Engineering была центральной для этой революции.

Светоизлучающие диоды

Современные светодиоды в значительной степени полагаются на технологию Bandgap для достижения высокой эффективности и точного управления цветом. Разработка синих светодиодов на основе квантовых скважин InGaN представляла собой прорыв, который позволил использовать твердотельное белое освещение и полноцветные дисплеи. Изменяя содержание индия в квантовых скважинах InGaN, производители могут производить светодиоды, излучающие в любом месте от почти ультрафиолетового до синего и зеленого.

Сама структура квантовой скважины является продуктом инженерии полосового разрыва. Тонкий слой InGaN с узким полосовым разрывом зажат между барьерами GaN с более широким полосовым разрывом. Это выравнивание полосы I типа ограничивает как электроны, так и дырки в квантовой скважине, где они рекомбинируют радиально для получения света. Толщина и состав квантовой скважины определяют длину волны излучения, в то время как барьерные слои препятствуют выходу носителей, прежде чем они смогут рекомбинировать.

Многократные квантовые структуры скважин, где несколько квантовых скважин уложены барьерными слоями между ними, могут дополнительно повысить эффективность светодиодов, распределяя носители по нескольким активным областям. Это снижает плотность несущих в каждой скважине, что помогает минимизировать снижение эффективности - явление, когда эффективность светодиодов снижается при высокой плотности тока.

Лазерные диоды и фотонные устройства

Лазерные диоды для телекоммуникаций, хранения данных и обработки материалов зависят от сложной технологии полосовой прокладки. Активная область лазерного диода обычно состоит из одной или нескольких квантовых скважин, предназначенных для обеспечения оптического усиления на определенной длине волны. Окружающие слои облицовки имеют более широкие полосы пропускания, чтобы ограничить как носители, так и фотоны активной областью.

Для телекоммуникационных приложений лазерные диоды должны излучать на длинах волн, где оптические волокна имеют минимальные потери - обычно 1310 нм или 1550 нм. Эти длины волн попадают в инфракрасное излучение, требуя узкополосных материалов, таких как InGaAsP или InGaAs. Благодаря тщательной разработке полосовых сплавов производители могут производить лазеры именно на требуемых длинах волн с необходимыми эксплуатационными характеристиками.

Квантовые каскадные лазеры представляют собой крайний пример технологии полосового разрыва, где длина волны излучения определяется не полосным разрывом материала, а конструкцией сложной структуры суперрешетки.Эти устройства могут излучать на средних инфракрасных и терагерцовых частотах, чего невозможно было бы достичь с помощью обычной технологии полосового разрыва, открывая приложения в химическом зондировании, скрининге безопасности и астрономии.

Высокоэлектронно-мобильные транзисторы

Высокоэлектронно-мобильные транзисторы (HEMT) иллюстрируют, как технология бандгапа может повысить производительность электронного устройства. Эти устройства используют гетеропереход между двумя полупроводниками с различными бандгапами для создания двумерного электронного газа (2DEG) с исключительными транспортными свойствами.

В AlGaN/GaN HEMT слой AlGaN с более широким диапазоном растёт поверх GaN. Из-за спонтанных и пьезоэлектрических эффектов поляризации в этих материалах лист электронов накапливается на границе интерфейса в слое GaN. Эти электроны пространственно отделены от своих родительских ионизированных доноров в слое AlGaN, что резко уменьшает рассеяние и обеспечивает очень высокую подвижность электронов.

Высокая мобильность в сочетании с высоким полем разрушения GaN делает эти устройства идеальными для мощных высокочастотных приложений, таких как усилители базовых станций сотовой связи и радиолокационные системы. Инженерия полосового разреза, которая создает 2DEG, имеет важное значение для достижения производительности, которая делает эти приложения возможными.

Для оптимизации производительности HEMT может быть применена дальнейшая технология разметки полос. Например, прослойка AlN между AlGaN и GaN может увеличить плотность 2DEG, в то время как тщательная конструкция профиля композиции AlGaN может минимизировать рассеяние сплавов. Слои заднего барьера с соответствующими разметками могут использоваться для улучшения удержания носителей и уменьшения эффектов короткого канала в масштабируемых устройствах.

Повышение эффективности солнечных батарей

Инженерия Bandgap играет решающую роль в продвижении технологии солнечных элементов за пределы теоретических пределов эффективности однопереходных устройств.Предел Шокли-Квейсера устанавливает, что однопереходный солнечный элемент может преобразовывать максимум около 33% падающей солнечной энергии в электричество, причем точный предел зависит от разреза полупроводника.

Это ограничение возникает потому, что фотоны с энергией меньше, чем пропускная способность, не поглощаются, в то время как фотоны с энергией больше, чем пропускная способность, теряют избыточную энергию в виде тепла. Инженерия пропускной способности позволяет стратегиям преодолеть это ограничение с помощью многопереходных солнечных элементов, где несколько полупроводников с различными пропусками сложены для захвата различных частей солнечного спектра.

Квантово-ограниченные материалы могут использоваться в качестве эффективных пассивирующих слоев обратного поверхностного поля в Si-органических гибридных солнечных элементах с высокой эффективностью, обеспечиваемой ультратонкой пленкой Te, достигающей надлежащего выравнивания полосы посредством инженерии полосового разрыва через квантовый эффект удержания, что приводит к подавлению рекомбинации несущих и усиленному току короткого замыкания.

В тандемных солнечных элементах широкополосная топовая ячейка поглощает фотоны высокой энергии при передаче фотонов низкой энергии в узкую полосу пропускания нижней ячейки. Путем тщательной инженерии полосы пропускания каждой подклетки эффективность, превышающая 45%, была продемонстрирована в лабораторных устройствах. Коммерческие применения включают в себя концентрационные фотоэлектрические системы и космические солнечные элементы, где более высокая эффективность оправдывает повышенную сложность и стоимость.

Промежуточные полосы солнечных элементов представляют собой еще один инженерный подход, где промежуточная полоса вводится в полосу полупроводника. Это позволяет поглощать суб-полосы фотонов через двухэтапный процесс, потенциально обеспечивая эффективность за пределами однопереходного предела. Хотя все еще в значительной степени на стадии исследования, этот подход демонстрирует продолжающуюся инновацию, обеспечиваемую технологией полосы пропускания.

Инфракрасные детекторы и системы визуализации

Для инфракрасного обнаружения и визуализации требуются полупроводники с полосами пропускания, соответствующими энергиям инфракрасных фотонов. Технология Bandgap позволяет создавать детекторы, оптимизированные для конкретных диапазонов инфракрасных волн, от ближнего инфракрасного диапазона (0,7-1,4 мкм) до инфракрасного диапазона средней волны (3-5 мкм) до инфракрасного диапазона длинноволнового диапазона (8-12 мкм).

Теллурид кадмия ртути (HgCdTe) уже давно является предпочтительным материалом для высокопроизводительных инфракрасных детекторов. Изменяя содержание кадмия, полоса пропускания может быть настроена от нуля (чистый HgTe) до 1,6 эВ (чистый CdTe), что позволяет детекторам для любой инфракрасной длины волны. Эта настраиваемость в сочетании с отличными свойствами материала сделала HgCdTe стандартом для приложений, начиная от тепловизионной обработки до астрономии.

Квантовые инфракрасные фотоприемники (QWIP) используют технологию полосового разрыва по-другому. Вместо того, чтобы полагаться на межполосные переходы через фундаментальный полосовой разрыв, QWIP используют переходы между квантово-замкнутыми состояниями в полосе проводимости. Длина волны обнаружения определяется толщиной и композицией квантовой скважины, а не объемным разрывом, обеспечивая большую гибкость конструкции.

Суперрешетки типа II, чередующиеся слои InAs и GaSb, представляют собой передовой инженерный подход к инфракрасному обнаружению.Шаговое выравнивание полос создает небольшой эффективный разрыв полос, определяемый толщиной слоя, а не свойствами сыпучих материалов. Такой подход может обеспечить производительность, сопоставимую с HgCdTe, при использовании более зрелой технологии производства полупроводников III-V.

Проблемы в реализации инженерных решений Bandgap

Несмотря на огромный потенциал, перед инженерами-разработчиками в области межсетевого взаимодействия стоят несколько серьезных проблем, которые необходимо решить для реализации практических устройств. Понимание и преодоление этих проблем имеет важное значение для дальнейшего прогресса в технологии полупроводниковых устройств.

Качество и дефекты материала

Слои устройств GaN или AlN часто выращивают на субстратах сапфира, SiC или Si, где решетки и тепловые несоответствия между эпитаксиальными слоями и субстратами вызывают высокую плотность дислокации, ухудшая производительность устройства.Эти дефекты могут действовать как нерадиационные центры рекомбинации в оптоэлектронных устройствах или как центры рассеяния, которые снижают мобильность носителей в электронных устройствах.

Достижение высококачественных гетероструктур требует тщательного внимания к согласованию решеток между слоями. Когда материалы с различными константами решетки объединяются, в эпитаксиальных слоях накапливается деформация. Помимо критической толщины этот деформация снимается за счет образования дислокаций, которые ухудшают производительность устройства. Такие методы, как градуированные буферные слои, совместимые подложки и структуры с балансом деформации, помогают справиться с этой проблемой, но идеальные решения остаются неуловимыми для многих комбинаций материалов.

Масштабируемость и стоимость производства

Основные проблемы включают производственные затраты, дефекты материалов и проблемы масштабируемости, которые должны быть решены для полного раскрытия потенциала полупроводников с широким диапазоном пропускания в мощных приложениях.Многие устройства с широким диапазоном требуют сложных методов эпитаксиального роста, таких как эпитаксии молекулярного пучка (MBE) или осаждения металлорганических химических паров (MOCVD), которые являются более дорогими и более низкой пропускной способностью, чем обычная обработка кремния.

Стоимость субстрата для полупроводников с широким диапазоном пропускания остается значительным барьером для широкого распространения. В то время как кремниевые пластины доступны в больших диаметрах (300 мм и более) при относительно низкой стоимости, подложки SiC и GaN, как правило, намного меньше и дороже. Усилия по выращиванию этих материалов на кремниевых подложках помогают решить проблемы с затратами, но вводят новые технические проблемы, связанные с несоответствием тепловой и решетчатой структуры.

Допинг и контактная форма

Широкие пропуски и связанные с ними рабочие функции этих материалов затрудняют достижение надежного контакта с металлом или допинга. Допинг P-типа особенно сложен во многих широкополосных материалах. Например, GaN может быть легко легирован n-типом с кремнием, но допинг p-типа с магнием требует тщательной оптимизации и активации после роста. Некоторые сверхширокополосные материалы, такие как Ga2O3, вообще не могут быть эффективно легированы p-типом, требуя альтернативных архитектур устройств.

Формирование омических контактов с низкой устойчивостью к полупроводникам с широким диапазоном представляет собой еще одну проблему. Большой разрыв означает, что простые металлополупроводниковые контакты обычно образуют барьеры Шоттки, а не омические контакты. Достижение низкого сопротивления контактам часто требует сильно легированных областей контакта, специализированных схем металлизации или новых контактных структур, которые добавляют сложность к изготовлению устройства.

Расширенная характеристика и моделирование

Эффективная технология полосовой прокладки требует сложных методов характеристики, чтобы проверить, что структуры были изготовлены как спроектированные, и понять их электронные и оптические свойства.Такие методы, как фотолюминесцентная спектроскопия, рентгеновская дифракция, трансмиссионная электронная микроскопия и профилирование емкостного напряжения, обеспечивают дополнительную информацию о составе, деформации, дефектах и электронной структуре.

Фотолюминесцентная спектроскопия особенно ценна для оценки оптического качества структур, спроектированных с использованием полосового разряда. Путем возбуждающих носителей с вышеперечисленным разрядным светом и анализа испускаемого свечения исследователи могут определить эффективный разрез, идентифицировать квантово-замкнутые состояния и обнаружить наличие дефектов или примесей. Зависимые от температуры и с временным разрешением измерения обеспечивают дополнительную информацию о динамике несущих и механизмах рекомбинации.

Вычислительное моделирование играет все более важную роль в проектировании полосовых разрывов. Расчеты по первым принципам, основанные на теории функционала плотности, могут предсказывать структуры полос, смещения полос и оптические свойства предлагаемых структур до их изготовления. Эти расчеты помогают направлять экспериментальные усилия и обеспечивать физические выводы, которые могут быть не очевидны только из измерений.

Моделирование на уровне устройств, которое включает в себя конструкции, разработанные с использованием бандгапа, позволяет оптимизировать конструкции устройств, прежде чем совершать дорогостоящие производственные запуски. Коммерческие инструменты могут моделировать транспортировку перевозчика, оптическую генерацию и рекомбинацию, а также тепловые эффекты в сложных гетероструктурах, помогая дизайнерам понять компромиссы и определить оптимальные проекты.

Интеграция с двухмерными материалами

Использование слоистых 2D-материалов в сочетании с полупроводниками с широким диапазоном становится перспективным решением, с интеграцией этих материалов, будь то WBG-on-2D или 2D-on-WBG, предлагая новые степени свободы в материаловедении и дизайне устройства.Двумерные материалы, такие как графен, дихалкогениды переходных металлов и шестиугольный нитрид бора, предлагают уникальные свойства, которые дополняют традиционные полупроводники.

Атомно тонкая природа 2D-материалов позволяет использовать новые подходы к проектированию полосового разрыва. Например, полоса переходных металлических дихалькогенидов, таких как MoS2, изменяется от косвенного к прямому при разжижении до монослоя, резко повышая эффективность светового излучения. Укладка различных 2D-материалов создает гетероструктуры ван дер Ваальса, где слабое межслойное соединение позволяет комбинировать материалы, которые были бы несовместимы в обычном эпитаксиальном росте.

Эти 2D гетероструктуры позволяют создавать безбарьерные конструкции без ограничений согласования решеток, которые ограничивают обычные гетероструктуры. Исследователи могут комбинировать материалы с совершенно разными константами решетки и создавать выравнивания полос, которые были бы невозможны с традиционными полупроводниками. Эта свобода открывает новые возможности для устройств с индивидуальными электронными и оптическими свойствами.

Будущие направления и новые приложения

Следующее десятилетие будет преобразующим, с достижениями в области материаловедения, технологий изготовления и гибридных архитектур устройств, толкающих широкополосные устройства в основное внедрение. Несколько новых тенденций обещают еще больше расширить влияние технологии бандажа.

Искусственный интеллект и машинное обучение начинают играть роль в разработке безубыточности. Эти инструменты могут анализировать обширные базы данных свойств материала для выявления перспективных новых композиций сплавов или конструкций гетероструктур. Они также могут оптимизировать сложные структуры устройств со многими параметрами проектирования, находя решения, которые могут быть не очевидны с помощью традиционных подходов к проектированию.

Топологические материалы представляют собой границу, где инженерия полосового разрыва пересекается с квантовой физикой. Посредством инженерных структур полосы со специфическими топологическими свойствами исследователи могут создавать материалы с экзотическими электронными состояниями, защищенными от рассеяния беспорядком. Эти топологические состояния могут позволить новые типы электронных устройств малой мощности или надежные квантовые вычислительные платформы.

Для квантовой обработки информации технология bandgap позволяет создавать искусственные атомы с точно контролируемыми уровнями энергии. Эти квантовые точки могут служить кубитами для квантовых вычислений или в качестве однофотонных источников для квантовой связи. Возможность инженерной электронной структуры на квантовом уровне имеет важное значение для этих новых квантовых технологий.

Широкополосные и сверхширокополосные материалы обеспечивают преимущества в производительности и эффективности по сравнению с их кремниевыми аналогами, а возможности для усовершенствования проектирования и производства настолько значительны, что будущее индустрии силовой электроники в основном за счет использования материалов WBG и UWBG. Этот переход потребует постоянных инноваций в материаловедении, физике устройств и технологии производства.

Основные преимущества Bandgap Engineering

• Повышение эффективности оптического излучения: Квантовые структуры скважин и оптимизированные выравнивания полос максимизируют радиационную рекомбинацию при минимизации нерадиационных потерь, позволяя светодиодам и лазерам с почти единообразной квантовой эффективностью.
• Конструкция устройства, специфичного для длины волны: Точный контроль над пропускной способностью позволяет создавать светоизлучатели и детекторы, оптимизированные для конкретных длин волн, от глубокого ультрафиолета до видимого до среднего инфракрасного диапазона.
• Более высокая подвижность электронов:] Гетероструктурная инженерия создает двумерные электронные газы с подвижностью, намного превышающей объемные материалы, что позволяет быстрее транзисторов и более эффективных силовых устройств.
• Сниженное энергопотребление: Полупроводники с широким диапазоном пропускания обеспечивают силовую электронику с меньшими потерями переключения и сниженными требованиями к охлаждению, значительно повышая эффективность на системном уровне.
• Расширенный диапазон рабочих температур: Широкополосные материалы поддерживают производительность при температурах, при которых кремниевые устройства выходят из строя, что позволяет использовать электронику в суровых условиях в автомобильной, аэрокосмической и промышленной сферах.
• Более высокое напряжение пробоя: Инженерные полосы пропускания позволяют устройствам обрабатывать гораздо более высокие напряжения в меньших отпечатках, что имеет решающее значение для преобразования энергии и распределения приложений.
• Улучшение радиационной твердости: Широкополосные материалы демонстрируют большую устойчивость к радиационному повреждению, что необходимо для космического и ядерного применения.
• Настраиваемые оптические свойства: Квантовая ограничительная и композиционная инженерия позволяют точно контролировать спектры поглощения и излучения для дисплеев, освещения и зондирования.