碳化硅应用方向：光电器件 - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

碳化硅衬底的应用领域主要分为电子电力领域、射频领域、光电领域、其他领域：电子电力领域、射频领域应用最为重要，使用SiC材料的优势明显。这两个领域前面已经介绍过了：

碳化硅应用方向：电子电力器件

碳化硅应用方向：射频器件

2019年，整个半导体市场6000亿美元，占比：集成电路80%、功率5%、光电子10%、微波+传感器5%；而碳化硅器件仅仅为5亿美元。

下面，将介绍碳化硅在光电领域的应用。

发光

首先，要从发光说起。半导体是具有带隙的，因此就可以用来发出激光。

但是，实用的激光器具有三个要素：泵浦源、工作物质、谐振腔。泵浦源就像电源一样，给工作物质能量让他去发出激光；谐振腔让激光叠加在一起，得到更高功率的光；但是，核心还是工作物质——能够实现粒子数反转的能级结构。

必须要能够实现粒子数反转，是因为激光是属于受激辐射，但存在其他的跃迁过程，只有受激辐射的过程足够多，才能表现出激光。其他的过程包括自发辐射、弛豫等过程。

为了实现粒子数反转，常见的能级结构是三能级结构。这是因为可以控制能级之间的各种过程。

比如，实现激光。通过泵浦源将电子从低能级泵浦到高能级上；电子在高能级不稳定，通过添加一个较为稳定的中能级，让电子停在中能级上（注意，3过程不一定只是自发辐射，其他的方式让电子快速去中能级都行）；等电子够多了，一次性受激辐射下来，发出的光就很强了；在谐振腔的作用下，不断放大，就是受激辐射放大的光——激光。

实例分析

为了实现1300nm（1.3um）的激光输出，做了这样的半导体激光器。所需激光通过0.954eV的InAs输出，能量变化为电能转化为GaAs输出激光，再转化为InAs输出激光。

整个过程，首先是下面的结构：

GaAs和AlGaAs交替排列，而且够薄，就是超晶格。Al元素的引入，使得GaAs的能级可以从1.424eV调节到2.168eV，可以得到相应的高能级。而GaAs则作为中能级来输出泵浦激光。在电的作用下，电子不断泵浦到AlGaAs高能级，再从GaAs中能级一跃而下。

接着，才是上面的结构：

激光的输出源于通过将InAs的尺寸制备到纳米级，使得其能隙从0.354eV增大到0.954eV（0.954eV=1240nm·eV/1300nm），成为了很好的中能级。而泵浦源则是通过下面的超晶格得到的GaAs激光。在GaAs产生的激光的作用下，电子被不断泵浦到GaAs高能级，再从InAs中能级一跃而下。

GaN与发光

发光是发出的光子数大于吸收的光子数。为了实现更方便的实现这一点，一般使用的能级具有直接带隙的结构。

实际上，除了以上发光的GaAs、InP，第三代半导体材料GaN也是具有直接带隙的。可以看一下常见半导体的数据。

GaN具有比GaAs、InP更大的带隙。通过调节这个带隙，可以得到更大范围的光的输出。

GaAs的带隙为1.42eV，说明当产生低于873nm的光的时候，会有大的吸收，这时候光强就不行了。
InP的带隙为1.344eV，说明当产生低于925nm的光的时候，会有大的吸收，这时候光强就不行了。
GaN的带隙为3.4eV，说明当产生低于364nm的光的时候，会有大的吸收，这时候光强才不行。

能产生可见光、紫外光，这就是GaN的优势。可见光的用途自不必说，诺奖——蓝光LED就是在外延的GaN中加入In和Al；更低波长的光，具有更大的能量，有其专业的用途，比如杀菌、打标、切割等。

为了制备GaN器件，和射频器件一样，SiC衬底又被选择了。

SiC与GaN

为什么选择SiC衬底？衬底材料表面粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、与外延材料间晶格匹配程度等指标深刻影响着生产的器件。合格的衬底材料所要考察的性能要求及其解释如下图所示：

让我们对比蓝宝石、Si、SiC。

失配方面。对于GaN晶格失配率，蓝宝石为13.9％，Si为16.9％，而SiC仅为3.4％；热失配率，蓝宝石为30.3％，Si为53.5％，SiC仅有15.9％。因此，就晶体结构特性而言，4H-SiC和6H-SiC的晶体结构与GaN均为纤锌矿结构，晶格失配率和热失配率均最低，最适合生长高质量的GaN外延层。
导电性方面。蓝宝石是绝缘的，没法制备垂直型器件。
热导率方面。蓝宝石的热导率仅为0.3W·cm-1·K-1，Si的热导率为1.48W·cm-1·K-1，均远低于SiC的热导率3.4W·cm-1·K-1。
光学性能方面。蓝宝石和SiC均不吸收可见光，Si衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。Cree于2014年制备的SiC LED能效达到300lm/W，大于普通节能灯的100lm/W。

如下图所示，再进行一次总结。