Широкозонные полупроводники

Широкозонные полупроводники (ШЗП) характеризуются шириной запрещённой зоны E_g, превышающей 2 эВ. Это делает их уникальными материалами для высокотемпературной электроники, оптоэлектронных устройств в ультрафиолетовом диапазоне и высокоэнергетических детекторов. Основные представители включают карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), оксид цинка (ZnO), борид нитрид (BN).

Кристаллографические особенности:

SiC: существует в более чем 200 полиморфных формах, наиболее распространённые – 3C-SiC (кубическая) и 4H/6H-SiC (гексагональная). Высокая жёсткость кристаллической решётки и прочность связи Si–C обеспечивают высокую термостойкость и низкую диффузию примесей.
GaN: кристаллизуется в вюрцитной (гексагональной) и цинкблендной (кубической) структурах. Вюрцитная форма обеспечивает более высокую электронную подвижность, что важно для высокочастотной электроники.
ZnO: имеет гексагональную структуру вюрцита с сильной поляризацией по оси c, что позволяет использовать материал в пьезо- и оптоэлектронных устройствах.

Широкозонные полупроводники обладают высокой прочностью связей и малой диэлектрической проницаемостью, что определяет их уникальные электрические и оптические свойства.

Электронная структура и энергетические уровни

ШЗП отличаются большой шириной запрещённой зоны, что определяет их поведение при высоких температурах и в оптическом диапазоне:

Запрещённая зона E_g: для SiC – 2,3–3,3 эВ (в зависимости от полиморфной формы), для GaN – 3,4 эВ, для ZnO – 3,37 эВ.
Эффективная масса носителей: малая масса электронов и большая масса дырок создают сильную анизотропию подвижности.
Донорные и акцепторные уровни: в ШЗП примесные уровни обычно глубже, чем в классических полупроводниках (Si, Ge), что затрудняет легирование при комнатной температуре, но обеспечивает устойчивость к тепловой генерации носителей.

Электронная структура позволяет использовать ШЗП для устройств, работающих при температурах до 600–1000 К, где кремний уже теряет электрическую проводимость из-за термического возбуждения.

Электрические свойства

Широкозонные полупроводники характеризуются низкой собственноречной проводимостью при комнатной температуре и высокой электро- и термостабильностью.

Проводимость: при лёгировании донорными или акцепторными примесями можно получать n- и p-типы проводимости, но активация примесей требует более высоких температур.
Мобильность носителей: например, в 4H-SiC электроны имеют подвижность около 800 см²/В·с, а дырки – около 120 см²/В·с. В GaN – электроны до 2000 см²/В·с, что важно для высокочастотных транзисторов.
Диэлектрическая прочность: ШЗП обладают высокой пробивной напряжением (SiC – до 3,0 МВ/см), что позволяет создавать мощные выпрямители и ключи, работающие при высоких напряжениях.

Тепловые свойства

Высокая теплопроводность и малый коэффициент температурной зависимости проводимости делают ШЗП незаменимыми в силовой электронике:

Теплопроводность: SiC – 3–4,9 Вт/см·К, GaN – 1,3–2,3 Вт/см·К.
Тепловая устойчивость: рабочая температура устройств до 600–1000 К.
Тепловое рассеяние: высокая прочность кристалла снижает вероятность тепловых дефектов и деградации при длительной эксплуатации.

Оптические свойства

Широкозонные полупроводники обладают прозрачностью в видимом и ультрафиолетовом диапазоне и высокой эффективностью излучения:

Абсорбция и фотопроводимость: широкий диапазон поглощения делает их идеальными для УФ-фотодетекторов.
Эмиссия: GaN и ZnO используются в светодиодах и лазерах в синим и ультрафиолетовом диапазоне.
Поляризационные эффекты: в гексагональных структурах (GaN, ZnO) наблюдаются сильные спонтанные и пьезоэлектрические поля, влияющие на переходы и оптическую эффективность.

Легирование и дефекты

Легирование ШЗП осложнено глубиной примесных уровней и низкой диффузией:

Примеси-доноры: N в GaN, P в SiC.
Примеси-акцепторы: Mg в GaN, Al в SiC.
Дефекты кристалла: вакансии, интерстициальные атомы и дислокации могут существенно влиять на электрические и оптические свойства, особенно на рекомбинацию носителей и проводимость.

Технологии осаждения (MOCVD, HVPE) позволяют создавать высококачественные кристаллы с минимальной концентрацией дефектов.

Применение широкозонных полупроводников

Электроника высокой мощности и частоты: силовые диоды, MOSFET и HEMT-транзисторы на SiC и GaN.
Оптоэлектроника: светодиоды, лазеры и фотодетекторы УФ-диапазона.
Высокотемпературные датчики: работающие в экстремальных условиях, включая авиацию и космическую технику.
Радиоэлектроника: GaN HEMT для микроволновых и миллиметровых диапазонов.

Широкозонные полупроводники открывают новые возможности для электроники, где обычные полупроводники (Si, Ge) становятся ограниченными по температуре, напряжению и частоте. Их уникальные свойства формируют основу для современных и перспективных устройств высокой мощности, ультрафиолетового излучения и работы в экстремальных условиях.