半導(dǎo)體材料的發(fā)展階段

作為“二十世紀(jì)最重要的新四大發(fā)明”之一，半導(dǎo)體的重要性不言而喻。從電子產(chǎn)品到航空航天，從人工智能到生物醫(yī)學(xué)，半導(dǎo)體無處不在，深刻地塑造著我們生活的方方面面。

作為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石，半導(dǎo)體材料也經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段：

20世紀(jì)50年代，鍺 (Ge) 和硅 (Si)脫穎而出，世界上第一個(gè)半導(dǎo)體器件就是由鍺制成的，由此開啟了半導(dǎo)體材料的歷史之旅；

隨著光纖和移動(dòng)通信的崛起，以砷化鎵 (GaAs) 和磷化銦 (InP) 為代表的第二代半導(dǎo)體材料逐漸嶄露頭角；

以氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 為代表的第三代半導(dǎo)體材料在新能源汽車、5G通信、光伏、消費(fèi)電子等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用；

第四代半導(dǎo)體材料，包括以氧化鎵 (Ga2O3) 、金剛石和氮化鋁 (AlN) 為代表的超寬帶隙半導(dǎo)體以及以銻化物（銻化銦、銻化鎵）為代表的超窄帶隙半導(dǎo)體，正在得到越來越多科學(xué)家和工程師的關(guān)注。

面對(duì)復(fù)雜而神秘的半導(dǎo)體世界，很多人可能會(huì)問：半導(dǎo)體材料的發(fā)展經(jīng)歷了哪些變化？它們是如何被發(fā)現(xiàn)的？傳說中硅無所不能是真的嗎？今天，請(qǐng)跟隨泛林一起來探尋半導(dǎo)體材料的“家族史”。

第一代

半導(dǎo)體材料緣起：硅鍺之爭(zhēng)

當(dāng)年門捷列夫在排列元素周期表時(shí)，位于第32號(hào)位的元素尚未發(fā)現(xiàn)，他根據(jù)元素周期律預(yù)言了該元素性質(zhì)，并稱它為“類硅”。10多年后，德國(guó)化學(xué)家文克列爾發(fā)現(xiàn)了這個(gè)元素，并測(cè)出其元素性質(zhì)竟與門捷列夫預(yù)言的“亞硅”完全一致。它，就是鍺。

二戰(zhàn)期間，鍺的價(jià)值被人們逐漸發(fā)現(xiàn)并認(rèn)可。鍺的熔點(diǎn)低，方便科學(xué)家和工程師們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)用它來進(jìn)行各種試驗(yàn)。在當(dāng)時(shí)，鍺被用來制造高精度的雷達(dá)接收機(jī)，而世界上第一個(gè)晶體管也是于1947年在貝爾電話實(shí)驗(yàn)室使用鍺制造而成的。然而，鍺的低熔點(diǎn)卻是一把雙刃劍。作為半導(dǎo)體材料，鍺在高溫下容易受到破壞。

這時(shí)，一直因?yàn)槿埸c(diǎn)高而沒有受到半導(dǎo)體界重視的硅進(jìn)入了貝爾實(shí)驗(yàn)室的視野。他們認(rèn)為，作為地殼中含量第二高的元素，硅是未來的材料，一旦找到能夠有效控制制造工藝的解決方案，它的價(jià)格會(huì)比鍺低很多，因此他們把大部分研究經(jīng)費(fèi)投入到以硅為原料的器件上。

功夫不負(fù)有心人，1960年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出表面穩(wěn)定的硅晶體管，使人們的目光從鍺轉(zhuǎn)移到了硅。這項(xiàng)研究在業(yè)界獲得了廣泛好評(píng)，標(biāo)志著硅代替鍺成為了商用領(lǐng)域最具主導(dǎo)性的半導(dǎo)體材料。

硅的優(yōu)勢(shì)在于易于提純和結(jié)晶；硅材料制造的半導(dǎo)體器件具有良好的耐高溫和抗輻射性能；濺鍍的二氧化硅 (SiO?) 薄膜純度高、絕緣性能出色，制成的硅器件更加穩(wěn)定可靠。

如今，全球95%以上的半導(dǎo)體器件和99%以上的集成電路都以硅作為基礎(chǔ)材料。可以說，我們生活在“硅”的時(shí)代。

第二代

半導(dǎo)體材料進(jìn)階：伴“光”而興

隨著基于光通信的信息高速公路的興起和社會(huì)信息化的發(fā)展，以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 為代表的第二代半導(dǎo)體材料開始嶄露頭角，并展現(xiàn)出其優(yōu)越性：

在能帶結(jié)構(gòu)上有直接帶隙，光電性能佳；

電子遷移率比硅更高，因而工作頻率也更高；

帶隙相對(duì)硅更寬，更能抗高溫、抗輻射。

正因如此，第二代半導(dǎo)體材料成為制造高性能微波、毫米波器件和發(fā)光器件的出色選擇，被廣泛應(yīng)用于高速、高頻、高功率和發(fā)光電子器件的生產(chǎn)。隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的興起，它們被廣泛用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、光通信和GPS導(dǎo)航：砷化鎵和磷化銦半導(dǎo)體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，砷化鎵高速器件也開辟了光纖和移動(dòng)通信的新產(chǎn)業(yè)。

第二代半導(dǎo)體材料雖然實(shí)現(xiàn)了很多進(jìn)步，但也并非“完美無瑕”。它們存在原料稀缺、價(jià)格昂貴、毒性大、污染環(huán)境等劣勢(shì)，因此限制了其應(yīng)用。

進(jìn)入新世紀(jì)后，信息技術(shù)飛速進(jìn)步，材料學(xué)發(fā)展突飛猛進(jìn)，半導(dǎo)體材料又迎來新的發(fā)展階段。下周我們將繼續(xù)探索第三代與第四代半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程。

溫故知新

下期前瞻

第三/四代半導(dǎo)體材料一定優(yōu)于第一/二代半導(dǎo)體材料嗎？

A．是

B．不是

讀完全文，相信你已經(jīng)找到了第一個(gè)問題的答案，第二問我們將在下期文章中進(jìn)行解答，敬請(qǐng)關(guān)注！

審核編輯：湯梓紅