半导体材料的发展

赵敏 2023-04-21

本文将对半导体材料进行介绍，并对第一代、第二代、第三代、第四代半导体材料分类。

什么是半导体材料

半导体材料是制作半导体器件和集成电路的电子材料，是半导体工业的基础。利用半导体材料制作的各种各样的半导体器件和集成电路，促进了现代信息社会的飞速发展。

绝缘体、半导体和导体的典型电导率范围

半导体材料的研究开始于19世纪初期。
元素半导体是由单一种类的原子组成的那些，例如硅（Si），元素周期表 IV列中的锗（Ge）和锡（Sn），元素周期表 VI 列中的硒（Se）和碲（Te）。然而，存在许多由两个或更多个元素组成的化合物半导体。例如，砷化镓（GaAs）是二元III-V化合物，它是第三列的镓（Ga）和第五列的砷（As）的组合。三元化合物可以由三个不同列的元素形成，例如，碲化汞铟（HgIn2Te4），一种II-III-VI化合物。它们也可以由两列中的元素形成，例如砷化铝镓（Al x Ga 1- x As），这是一种三元III-V化合物，其中Al和Ga都来自第三列，并且下标x相关从100％Al（x=1）到100％Ga（x=0）的两种元素的组成。

纯硅是集成电路应用中最重要的材料，而III-V二元和三元化合物对发光最重要。

在1947年发明双极晶体管之前，半导体仅用作两端器件，例如整流器和光电二极管。在1950年代初期，锗是主要的半导体材料。但是，事实证明，这种材料不适用于许多应用，因为这种材料制成的设备仅在适度升高的温度下才会表现出高漏电流。自1960年代初以来，硅已成为迄今为止使用最广泛的半导体，实际上已经取代了锗作为器件制造的材料。

造成这种情况的主要原因有两个：（1）硅器件的漏电流要低得多，（2）二氧化硅（SiO2）是一种高质量的绝缘体，很容易作为基于硅的器件的一部分进行整合。因此，硅技术已经变得非常先进和普遍。

半导体材料的发展之路

半导体材料发展之路及不同材料的特效比较

第一代的半导体材料：硅(Si)、锗(Ge)

在半导体材料的发展历史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅材料为主占绝对的统治地位。目前，半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的，硅器件构成了全球销售的所有半导体产品的95％以上。硅半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个信息产业的飞跃。

第二代半导体材料：砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP)

随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角，并显示其巨大的优越性。砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。

第三代半导体材料：氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)

GaN与Si和SiC比较图

第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓材料P型掺杂的突破为起点，以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的，它在光显示、光存储、光照明等领域将有广阔的应用前景。

以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料，具备高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率及抗强辐射能力等优异性能，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，在半导体照明、新一代移动通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等领域有广阔的应用前景，有望突破传统半导体技术的瓶颈，与第一代、第二代半导体技术互补，对节能减排、产业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。

第三代半导体材料是目前全球战略竞争新的制高点。也是我们国家的重点扶持行业。十二五”期间，863计划重点支持了“第三代半导体器件制备及评价技术”项目。

第四代半导体材料：氧化镓(Ga2O3)

氧化镓（Ga2O3）结构图及原子力显微镜图像

作为新型的宽禁带半导体材料,氧化镓（Ga2O3）由于自身的优异性能,凭借其比第三代半导体材料SiC和GaN更宽的禁带，在紫外探测、高频功率器件等领域吸引了越来越多的关注和研究。氧化镓是一种宽禁带半导体，禁带宽度Eg=4.9eV，其导电性能和发光特性良好，因此，其在光电子器件方面有广阔的应用前景，被用作于Ga基半导体材料的绝缘层，以及紫外线滤光片。这些是氧化镓的传统应用领域，而其在未来的功率、特别是大功率应用场景才是更值得期待的。

半导体材料的种类丰富多彩，除了上述典型材料，还有有机半导体、陶瓷半导体等材料，它们具有其独特的性质和应用。

责任编辑：展源

审　　核：何发

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