半导体材料的发展历程

在上周的推文中，我们回顾了半导体材料发展的前两个阶段：以硅(Si)和锗(Ge)为代表的第一代和以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代。（了解更多 - 泛林小课堂 | 半导体材料“家族史”大揭秘（上））

本周，“泛林小课堂”将带大家继续半导体材料发展历程的探寻之旅。

第三代

半导体材料新生：双雄崛起

其实，门捷列夫在排列元素周期表时，一共预测了四个未知元素的存在。除了第一代半导体材料锗，还有钪(Sc)、锝(Tc)和镓(Ga)。1875年，法国科学家布瓦博德兰率先发现了镓元素，使之成为历史上第一个被预言、而后在实验中被证实的元素。镓是一种极其独特的金属材料，熔点较低，夏季大部分时候呈现液态。液态镓会和其他金属生成合金，因此常被称为“金属终结者”。

直到20世纪，镓才以化合物半导体材料的形式在半导体领域获得重视。在砷化镓崭露头角之后，以氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)为代表的宽带隙半导体材料成为了半导体行业新的研究焦点。

“带隙”是半导体领域常见的术语。简单来说，它是半导体导带底部和价带顶部的能量之差，带隙越大，宽带隙半导体功率器件可以运行的电压就将越高。

碳化硅具有高水平的击穿电场、热导率、电子饱和速率和抗辐射能力，适用于高温、高频、耐辐射和大功率的器件，为消费类电子和工业应用带来显著的功效提升，并在新能源汽车、智能电网、轨道交通、光伏、风电等领域形成独特优势。

与硅、锗、砷化镓、甚至碳化硅器件相比，氮化镓器件可以在更高的频率和功率下工作，在光电器件、高频高功率电子器件应用上具有广阔前景。

日本科学家赤崎勇、天野浩与中村修二提出基于氮化镓生产蓝色发光二极管(LED) 的方法，在照明行业引发一场革命，并因此获颁2014年“诺贝尔物理学奖”。

第四代

半导体材料蓬勃：新秀迭起

第四代半导体材料主要是以氧化镓(Ga2O3)、金刚石(C)和氮化铝(AIN)为代表的超宽带隙半导体材料，以及以锑化物（锑化铟、锑化镓）为代表的超窄带隙半导体材料。其中，氧化镓更是被称作是真正意义上的下一代半导体材料。

氧化镓的超宽带隙使其能够在更高的电压下维持较高的击穿电压和临界电场；在同等规格下，更宽的带隙材料可以制造尺寸更小、功率密度更高的器件；

导电性能和发光特性良好；

具备天然的深紫外光感应能力和超强的耐辐射性能；

具有良好的化学和热稳定性。

氧化镓的超宽带隙特性意味着它在功率器件中有巨大潜力，例如在电动汽车、电力系统、风力涡轮机等领域中都能有所应用。在光电子元件方面，由于氧化镓薄膜是透明的，因此可以用作透明面板的组件。此外，氧化镓还可以用于光电和气体传感器领域。

超窄带隙材料则具有电子迁移率高、导电性强和热电性能好等特性，可以被用于光电子、微电子和热电器件等领域。

回顾这数十年来半导体材料的发展历程，人们对体积更小、效率更高的半导体器件的需求，以及技术和工艺的不断精进，一直推动着半导体材料的更迭。由于其物理和化学性质的不同，每一代半导体材料都有自己独特的优势，新一代材料的出现和发展，更多是对现有半导体领域在功能和性能上的拓展和完善。

如今，越来越多的元素正在被评估，用于制作新的化合物或投入新的应用，随着制造工艺的改进，相信未来会有更多的元素和半导体材料被投入使用。

审核编辑：汤梓红