半导体材料的发展阶段

作为“二十世纪最重要的新四大发明”之一，半导体的重要性不言而喻。从电子产品到航空航天，从人工智能到生物医学，半导体无处不在，深刻地塑造着我们生活的方方面面。

作为半导体产业的基石，半导体材料也经历了多个发展阶段：

20世纪50年代，锗 (Ge) 和硅 (Si)脱颖而出，世界上第一个半导体器件就是由锗制成的，由此开启了半导体材料的历史之旅；

随着光纤和移动通信的崛起，以砷化镓 (GaAs) 和磷化铟 (InP) 为代表的第二代半导体材料逐渐崭露头角；

以氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 为代表的第三代半导体材料在新能源汽车、5G通信、光伏、消费电子等领域获得广泛应用；

第四代半导体材料，包括以氧化镓 (Ga2O3) 、金刚石和氮化铝 (AlN) 为代表的超宽带隙半导体以及以锑化物（锑化铟、锑化镓）为代表的超窄带隙半导体，正在得到越来越多科学家和工程师的关注。

面对复杂而神秘的半导体世界，很多人可能会问：半导体材料的发展经历了哪些变化？它们是如何被发现的？传说中硅无所不能是真的吗？今天，请跟随泛林一起来探寻半导体材料的“家族史”。

第一代

半导体材料缘起：硅锗之争

当年门捷列夫在排列元素周期表时，位于第32号位的元素尚未发现，他根据元素周期律预言了该元素性质，并称它为“类硅”。10多年后，德国化学家文克列尔发现了这个元素，并测出其元素性质竟与门捷列夫预言的“亚硅”完全一致。它，就是锗。

二战期间，锗的价值被人们逐渐发现并认可。锗的熔点低，方便科学家和工程师们在实验室内用它来进行各种试验。在当时，锗被用来制造高精度的雷达接收机，而世界上第一个晶体管也是于1947年在贝尔电话实验室使用锗制造而成的。然而，锗的低熔点却是一把双刃剑。作为半导体材料，锗在高温下容易受到破坏。

这时，一直因为熔点高而没有受到半导体界重视的硅进入了贝尔实验室的视野。他们认为，作为地壳中含量第二高的元素，硅是未来的材料，一旦找到能够有效控制制造工艺的解决方案，它的价格会比锗低很多，因此他们把大部分研究经费投入到以硅为原料的器件上。

功夫不负有心人，1960年，贝尔实验室开发出表面稳定的硅晶体管，使人们的目光从锗转移到了硅。这项研究在业界获得了广泛好评，标志着硅代替锗成为了商用领域最具主导性的半导体材料。

硅的优势在于易于提纯和结晶；硅材料制造的半导体器件具有良好的耐高温和抗辐射性能；溅镀的二氧化硅 (SiO₂) 薄膜纯度高、绝缘性能出色，制成的硅器件更加稳定可靠。

如今，全球95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都以硅作为基础材料。可以说，我们生活在“硅”的时代。

第二代

半导体材料进阶：伴“光”而兴

随着基于光通信的信息高速公路的兴起和社会信息化的发展，以砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，并展现出其优越性：

在能带结构上有直接带隙，光电性能佳；

电子迁移率比硅更高，因而工作频率也更高；

带隙相对硅更宽，更能抗高温、抗辐射。

正因如此，第二代半导体材料成为制造高性能微波、毫米波器件和发光器件的出色选择，被广泛应用于高速、高频、高功率和发光电子器件的生产。随着信息技术和互联网的兴起，它们被广泛用于卫星通信、移动通信、光通信和GPS导航：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，砷化镓高速器件也开辟了光纤和移动通信的新产业。

第二代半导体材料虽然实现了很多进步，但也并非“完美无瑕”。它们存在原料稀缺、价格昂贵、毒性大、污染环境等劣势，因此限制了其应用。

进入新世纪后，信息技术飞速进步，材料学发展突飞猛进，半导体材料又迎来新的发展阶段。下周我们将继续探索第三代与第四代半导体材料的发展历程。

温故知新

下期前瞻

第三/四代半导体材料一定优于第一/二代半导体材料吗？

A．是

B．不是

读完全文，相信你已经找到了第一个问题的答案，第二问我们将在下期文章中进行解答，敬请关注！

审核编辑：汤梓红