什么是半導(dǎo)體材料？半導(dǎo)體材料的發(fā)展之路

來(lái)源：半導(dǎo)體工藝與設(shè)備

什么是半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料，是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)。利用半導(dǎo)體材料制作的各種各樣的半導(dǎo)體器件和集成電路，促進(jìn)了現(xiàn)代信息社會(huì)的飛速發(fā)展。

絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的典型電導(dǎo)率范圍

半導(dǎo)體材料的研究開(kāi)始于19世紀(jì)初期。

元素半導(dǎo)體是由單一種類(lèi)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(gè)或更多個(gè)元素組成的化合物半導(dǎo)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(gè)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(lái)自第三列，并且下標(biāo)x相關(guān)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(yīng)用中最重要的材料，而III-V二元和三元化合物對(duì)發(fā)光最重要。

在1947年發(fā)明雙極晶體管之前，半導(dǎo)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(dǎo)體材料。但是，事實(shí)證明，這種材料不適用于許多應(yīng)用，因?yàn)檫@種材料制成的設(shè)備僅在適度升高的溫度下才會(huì)表現(xiàn)出高漏電流。自1960年代初以來(lái)，硅已成為迄今為止使用最廣泛的半導(dǎo)體，實(shí)際上已經(jīng)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(gè)：(1)硅器件的漏電流要低得多，(2)二氧化硅(SiO2)是一種高質(zhì)量的絕緣體，很容易作為基于硅的器件的一部分進(jìn)行整合。因此，硅技術(shù)已經(jīng)變得非常先進(jìn)和普遍。

半導(dǎo)體材料的發(fā)展之路

半導(dǎo)體材料發(fā)展之路及不同材料的特效比較

第一代的半導(dǎo)體材料：硅(Si)、鍺(Ge)

在半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史上，1990年代之前，作為第一代的半導(dǎo)體材料以硅材料為主占絕對(duì)的統(tǒng)治地位。目前，半導(dǎo)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(gòu)成了全球銷(xiāo)售的所有半導(dǎo)體產(chǎn)品的95%以上。硅半導(dǎo)體材料及其集成電路的發(fā)展導(dǎo)致了微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的飛躍。

第二代半導(dǎo)體材料：砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP)

隨著以光通信為基礎(chǔ)的信息高速公路的崛起和社會(huì)信息化的發(fā)展，以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導(dǎo)體材料嶄露頭角，并顯示其巨大的優(yōu)越性。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，同時(shí)砷化鎵高速器件也開(kāi)拓了光纖及移動(dòng)通信的新產(chǎn)業(yè)。

第三代半導(dǎo)體材料：氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)

GaN與Si和SiC比較圖

第三代半導(dǎo)體材料的興起，是以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制成功為標(biāo)志的，它在光顯示、光存儲(chǔ)、光照明等領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。

以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料，具備高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率及抗強(qiáng)輻射能力等優(yōu)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(tài)光源和電力電子、微波射頻器件的“核芯”，在半導(dǎo)體照明、新一代移動(dòng)通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、高速軌道交通、新能源汽車(chē)、消費(fèi)類(lèi)電子等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，有望突破傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)的瓶頸，與第一代、第二代半導(dǎo)體技術(shù)互補(bǔ)，對(duì)節(jié)能減排、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、催生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。

第三代半導(dǎo)體材料是目前全球戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)。也是我們國(guó)家的重點(diǎn)扶持行業(yè)。十二五”期間，863計(jì)劃重點(diǎn)支持了“第三代半導(dǎo)體器件制備及評(píng)價(jià)技術(shù)”項(xiàng)目。

第四代半導(dǎo)體材料：氧化鎵(Ga2O3)

氧化鎵(Ga2O3)結(jié)構(gòu)圖及原子力顯微鏡圖像

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

半導(dǎo)體材料的種類(lèi)豐富多彩，除了上述典型材料，還有有機(jī)半導(dǎo)體、陶瓷半導(dǎo)體等材料，它們具有其獨(dú)特的性質(zhì)和應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅