什么是半導體材料？半導體材料的發展之路

來源：半導體工藝與設備

什么是半導體材料

半導體材料是制作半導體器件和集成電路的電子材料，是半導體工業的基礎。利用半導體材料制作的各種各樣的半導體器件和集成電路，促進了現代信息社會的飛速發展。

絕緣體、半導體和導體的典型電導率范圍

半導體材料的研究開始于19世紀初期。

元素半導體是由單一種類的原子組成的那些，例如硅(Si)，元素周期表 IV列中的鍺(Ge)和錫(Sn)，元素周期表 VI 列中的硒(Se)和碲(Te)。然而，存在許多由兩個或更多個元素組成的化合物半導體。例如，砷化鎵(GaAs)是二元III-V化合物，它是第三列的鎵(Ga)和第五列的砷(As)的組合。三元化合物可以由三個不同列的元素形成，例如，碲化汞銦(HgIn2Te4)，一種II-III-VI化合物。它們也可以由兩列中的元素形成，例如砷化鋁鎵(Al x Ga 1- x As)，這是一種三元III-V化合物，其中Al和Ga都來自第三列，并且下標x相關從100%Al(x=1)到100%Ga(x=0)的兩種元素的組成。

純硅是集成電路應用中最重要的材料，而III-V二元和三元化合物對發光最重要。

在1947年發明雙極晶體管之前，半導體僅用作兩端器件，例如整流器和光電二極管。在1950年代初期，鍺是主要的半導體材料。但是，事實證明，這種材料不適用于許多應用，因為這種材料制成的設備僅在適度升高的溫度下才會表現出高漏電流。自1960年代初以來，硅已成為迄今為止使用最廣泛的半導體，實際上已經取代了鍺作為器件制造的材料。造成這種情況的主要原因有兩個：(1)硅器件的漏電流要低得多，(2)二氧化硅(SiO2)是一種高質量的絕緣體，很容易作為基于硅的器件的一部分進行整合。因此，硅技術已經變得非常先進和普遍。

半導體材料的發展之路

半導體材料發展之路及不同材料的特效比較

第一代的半導體材料：硅(Si)、鍺(Ge)

在半導體材料的發展歷史上，1990年代之前，作為第一代的半導體材料以硅材料為主占絕對的統治地位。目前，半導體器件和集成電路仍然主要是用硅晶體材料制造的，硅器件構成了全球銷售的所有半導體產品的95%以上。硅半導體材料及其集成電路的發展導致了微型計算機的出現和整個信息產業的飛躍。

第二代半導體材料：砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP)

隨著以光通信為基礎的信息高速公路的崛起和社會信息化的發展，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料嶄露頭角，并顯示其巨大的優越性。砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統中的關鍵器件，同時砷化鎵高速器件也開拓了光纖及移動通信的新產業。

第三代半導體材料：氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)

GaN與Si和SiC比較圖

第三代半導體材料的興起，是以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點，以高效率藍綠光發光二極管和藍光半導體激光器的研制成功為標志的，它在光顯示、光存儲、光照明等領域將有廣闊的應用前景。

以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體材料，具備高擊穿電場、高熱導率、高電子飽和速率及抗強輻射能力等優異性能，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，是固態光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導體照明、新一代移動通信、能源互聯網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等領域有廣闊的應用前景，有望突破傳統半導體技術的瓶頸，與第一代、第二代半導體技術互補，對節能減排、產業轉型升級、催生新的經濟增長點將發揮重要作用。

第三代半導體材料是目前全球戰略競爭新的制高點。也是我們國家的重點扶持行業。十二五”期間，863計劃重點支持了“第三代半導體器件制備及評價技術”項目。

第四代半導體材料：氧化鎵(Ga2O3)

氧化鎵(Ga2O3)結構圖及原子力顯微鏡圖像

作為新型的寬禁帶半導體材料,氧化鎵(Ga2O3)由于自身的優異性能,憑借其比第三代半導體材料SiC和GaN更寬的禁帶，在紫外探測、高頻功率器件等領域吸引了越來越多的關注和研究。氧化鎵是一種寬禁帶半導體，禁帶寬度Eg=4.9eV，其導電性能和發光特性良好，因此，其在光電子器件方面有廣闊的應用前景，被用作于Ga基半導體材料的絕緣層，以及紫外線濾光片。這些是氧化鎵的傳統應用領域，而其在未來的功率、特別是大功率應用場景才是更值得期待的。

半導體材料的種類豐富多彩，除了上述典型材料，還有有機半導體、陶瓷半導體等材料，它們具有其獨特的性質和應用。

審核編輯：湯梓紅