即使是未來更多代新的半導體研發(fā)成功，我們依然離不開“古老”的第一代半導體。

在當今這個時代，手機、電腦等電子產(chǎn)品變得越來越智能、越來越小巧、越來越不可或缺，已然成為了我們無法缺失的“電子器官”。

早在1945年，世界上第一臺通用電子計算機“ENIAC”剛剛誕生時，其體積還極為龐大：占地170平方米，相當于兩個羽毛球場，重達27噸，相當于三輛公交車。但如今，最輕便的筆記本電腦的重量已經(jīng)低于1千克了。?

與此類似的是，20世紀80年代第一臺手機誕生時，一度被稱為“大哥大”，不僅功能簡單（僅能接打電話），而且外觀和重量都像一塊板磚，難以隨身攜帶。但我們?nèi)缃袷褂玫氖謾C僅有兩百克左右，且不僅能打電話，還能上網(wǎng)瀏覽視頻、玩游戲。

1973年摩托羅拉首次發(fā)布手持式移動電話的場景重現(xiàn)，大家可以掏出自己的手機對比一下大小。

在過去數(shù)十年間，電子設(shè)備體積極大縮小，性能卻成百上千倍的增加，這都要歸功于半導體材料領(lǐng)域的快速發(fā)展。

近期，中國科學技術(shù)大學微電子學院龍世兵教授課題組聯(lián)合中科院蘇州納米所加工平臺，分別采用氧氣氛圍退火和氮離子注入技術(shù)，首次研制出了氧化鎵垂直槽柵場效應晶體管。從硅到氧化鎵，半導體材料是如何發(fā)展的？

什么是半導體？

我們身邊的材料可以根據(jù)導電性分為導體、絕緣體和半導體。金屬、石墨、人體等具有良好的導電能力，被稱為導體。橡膠、塑料、干木頭等是不導電的，或者說導電能力極差，屬于絕緣體。而導電能力介于導體與絕緣體之間的硅、鍺等材料，就是半導體。?

想要更深層次地了解半導體，就需要先了解一下能帶的概念（如下圖所示）。能帶是根據(jù)電子能量高低及狀態(tài)劃分的區(qū)域，通常包括導帶、禁帶、價帶三部分。電子在能帶中的位置越高，其能量就越大。就像一個物體離地面越高，其重力勢能就越大。

晶體硅的能帶及原子結(jié)構(gòu)示意圖（來源：作者繪制）

半導體內(nèi)部的價電子通常被共價鍵束縛，無法自由移動，自然也就無法參與導電。所有價電子所處的能帶區(qū)域被稱為價帶，價電子在受到熱、光、電、磁等方式的激發(fā)時，會吸收能量躍遷到更高的能級，成為能夠參與導電的自由電子，這個更高能級所處的能帶稱之為導帶。導帶中自由電子數(shù)量越多，材料的導電能力就越強。導帶與價帶之間的范圍無法存在電子，被稱為禁帶。價帶和導帶之間的距離就是這種材料的禁帶寬度，代表價電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的最小能量。

禁帶寬度是區(qū)分導體、絕緣體和半導體的重要標志。導體的禁帶寬度為0，電子可以輕易進入導帶，成為自由電子，因此導體的導電能力很強。而絕緣體的禁帶寬度很大，電子要躍遷到導帶需要很大的能量，只有極少的電子能越過禁帶，因此絕緣體的導電能力極差。而半導體的禁帶寬度較絕緣體小，電子越過禁帶需要的能量小，有更多的電子能夠越過禁帶，因此導電能力比絕緣體略強，但仍然遠遜于導體。

三種材料的能帶圖（來源：作者繪制）

Si3N4的禁帶寬度為8eV（電子伏特），Al2O3的禁帶寬度為10.6eV，它們是絕緣體。而鍺、硅、砷化鎵、氮化鎵以及氧化鎵的禁帶寬度分別為0.67eV、1.12 eV、1.43eV、3.4eV和4.8eV左右，它們都是半導體。（注：電子伏特是能量單位。代表一個電子經(jīng)過1V的電位差加速后所獲得的動能。1 eV = 1.6×10-19C·V=1.6×10-19 J）?

從三種材料的能帶圖來看，半導體和絕緣體的能帶是類似的，而與導體的能帶圖相差較大。其實并沒有一個明確的禁帶寬度大小來區(qū)分半導體與絕緣體，并且隨著半導體材料的不斷發(fā)展，半導體的禁帶寬度越來越大，寬禁帶、超寬禁帶半導體的禁帶寬度，已經(jīng)越來越接近，乃至超越了一些絕緣體。如作為絕緣體的SiO2禁帶寬度僅有4.6eV，而作為超寬禁帶半導體的金剛石，禁帶寬度卻高達5.47 eV。

雖然半導體的禁帶寬度較小，絕緣體的禁帶寬度較大，但它們之間依然有重合的部分（如金剛石），所以僅通過禁帶寬度無法準確辨別半導體。不過半導體相較于絕緣體有另一個特征，那就是半導體材料中一旦摻入了雜質(zhì)原子（簡稱摻雜）后，就會對半導體材料的物理和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。如按十萬分之一的比例在硅中摻入磷原子，硅的導電性將提升一千倍。?

未摻雜硅與摻雜后硅的共價鍵結(jié)構(gòu)（來源：作者繪制）

且半導體在摻雜后，導電能力更容易受外加電場的控制，因此我們可以通過在半導體外施加不同的電壓，來控制其導電能力的強弱，從而實現(xiàn)半導體電子器件的導通和關(guān)斷。半導體器件的導通和關(guān)斷兩種狀態(tài)可以看作二進制中的“1”和“0”。因而通過使用更多的半導體器件就可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯運算和數(shù)據(jù)存儲，進而制作出各種智能的電子產(chǎn)品。

禁帶越來越寬的半導體

為了滿足日益增加和多元的需求，半導體從以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體，逐漸發(fā)展到如今的以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）為代表的第三代半導體以及以氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁(AlN)、金剛石(C)為代表的第四代半導體。下表為四代半導體的代表材料以及對應的禁帶寬度。

四代半導體材料及其禁帶寬度（來源：作者繪制）

從表中我們很容易發(fā)現(xiàn)，隨著半導體的不斷發(fā)展，其禁帶寬度是逐漸變大的。這是為什么呢？

我們已經(jīng)知道，半導體價帶中被束縛的價電子可以通過吸收外界（溫度、電場、輻射等）能量躍過禁帶到達導帶，從而形成可以參與導電的自由電子。那些用于星際探測，或在其他高壓、高頻、高溫等極端惡劣環(huán)境中工作的半導體元器件，就會因為內(nèi)部大量的電子吸收足夠的能量而躍遷至導帶，使得半導體器件意外導通，從而失效。因此若是希望半導體在極端環(huán)境中也能使用，就必須采用禁帶寬度更大的材料。

寬禁帶、窄禁帶半導體受環(huán)境的影響不同（來源：作者繪制）

半導體禁帶寬度越來越大的另一個主要原因是：半導體禁帶寬度越大，用這種材料制備出的光電器件所發(fā)出的光或能夠探測的光的波長就越短。隨著不同禁帶寬度半導體的發(fā)現(xiàn)，半導體光電器件的發(fā)光范圍和光探測范圍已經(jīng)從紅外延伸到紫外。

?半導體禁帶寬度與其對應的發(fā)光/探測波長（禁帶寬度Eg=hc/λ，其中h為普朗克常數(shù)，c為光速，λ為光的波長）（來源：作者繪制）

四代半導體的發(fā)展現(xiàn)狀

1.第一代半導體材料代表：硅、鍺

硅、鍺材料早在20世紀50年代就被應用于半導體領(lǐng)域，直到現(xiàn)在依然活躍，目前半導體器件和集成電路仍以硅晶體材料為主。據(jù)統(tǒng)計，用硅材料所制成的半導體產(chǎn)品占全球銷量的95%以上。以半導體硅為平臺，大規(guī)模集成電路在過去的幾十年里得到了長足的發(fā)展，直接推動了微型計算機的出現(xiàn)，進而導致IT和信息行業(yè)在上個世紀末的蓬勃發(fā)展。

雖然世界上第一支晶體管的材料是鍺，且直到上個世紀60年代之前鍺在半導體中還占主要地位。但由于其禁帶寬度較小（僅0.67 eV），只能運用在低壓、低頻、低功率電路中，并且容易受高溫和輻射的影響，因此早已逐漸被硅代替了。

2.第二代半導體材料代表：砷化鎵、磷化銦

與硅、鍺、硒等單質(zhì)半導體不同，砷化鎵和磷化銦屬于化合物半導體。由于它們的電子遷移率高（相同電壓下，電子移動的速度更快），禁帶寬度比第一代大，因此主要被用來制作高頻、高速和大功率電子器件。同時砷化鎵、磷化銦還可以做成激光器，在光通信領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)越性，是光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。

但由于這些化合物半導體對環(huán)境危害較大，且依然屬于窄禁帶半導體，因此在高頻、高壓電子器件領(lǐng)域，正逐漸被第三代半導體所取代。

3.第三代半導體材料代表：氮化鎵、碳化硅

氮化鎵和碳化硅具有高擊穿電場、高熱導率、高電子遷移率及抗強輻射能力等優(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。

以第一支藍光發(fā)光二極管（LED）的研制成功為標志，氮化鎵材料在高效率藍紫發(fā)光二極管領(lǐng)域已取得大規(guī)模商業(yè)化。目前氮化鎵商業(yè)化正朝著紫外發(fā)光器件（如紫外光LED和激光器等）前進，在射頻及電力電子領(lǐng)域也嶄露頭角。而碳化硅熱導率高，更適合高壓和高功率場景，目前已經(jīng)在新能源汽車以及高鐵中得到大規(guī)模的使用。

4.第四代半導體材料代表：氧化鎵

氧化鎵是一種超寬禁帶半導體，它的禁帶寬度大（4.8 eV）、臨界擊穿場強高（8MV/cm）、導通特性幾乎是碳化硅的10倍、材料生長成本低于第三代半導體，在紫外光通信、高頻功率器件等領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注和研究興趣。未來，氧化鎵極有可能成為高功率、大電壓應用領(lǐng)域的主導者。

總結(jié)

半導體的發(fā)展過程中，人們的需求始終是第一驅(qū)動力。人們對電腦和手機更高的性能以及便攜的追求，使得硅基集成電路的關(guān)鍵尺寸從微米級別縮小到現(xiàn)在的7nm、5nm甚至3nm、2nm。而人們對高壓、高頻、大功率、紫外發(fā)光和探測的需求，直接推動了寬禁帶半導體和超寬禁帶的出現(xiàn)和發(fā)展。但由于不同半導體的物理化學性質(zhì)不同，它們都有著自己獨特的優(yōu)勢，新一代半導體的出現(xiàn)和發(fā)展，更多是對現(xiàn)有半導體領(lǐng)域在功能和性能上的拓展和完善，而非徹底的取代。所以即使是未來更多代新的半導體研發(fā)成功，我們依然離不開“古老”的第一代半導體。

編輯：黃飛

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