在上周的推文中，我們回顧了半導(dǎo)體材料發(fā)展的前兩個(gè)階段：以硅(Si)和鍺(Ge)為代表的第一代和以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的第二代。（了解更多 - 泛林小課堂 | 半導(dǎo)體材料“家族史”大揭秘（上））

本周，“泛林小課堂”將帶大家繼續(xù)半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程的探尋之旅。

第三代

半導(dǎo)體材料新生：雙雄崛起

其實(shí)，門捷列夫在排列元素周期表時(shí)，一共預(yù)測(cè)了四個(gè)未知元素的存在。除了第一代半導(dǎo)體材料鍺，還有鈧(Sc)、锝(Tc)和鎵(Ga)。1875年，法國(guó)科學(xué)家布瓦博德蘭率先發(fā)現(xiàn)了鎵元素，使之成為歷史上第一個(gè)被預(yù)言、而后在實(shí)驗(yàn)中被證實(shí)的元素。鎵是一種極其獨(dú)特的金屬材料，熔點(diǎn)較低，夏季大部分時(shí)候呈現(xiàn)液態(tài)。液態(tài)鎵會(huì)和其他金屬生成合金，因此常被稱為“金屬終結(jié)者”。

直到20世紀(jì)，鎵才以化合物半導(dǎo)體材料的形式在半導(dǎo)體領(lǐng)域獲得重視。在砷化鎵嶄露頭角之后，以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料成為了半導(dǎo)體行業(yè)新的研究焦點(diǎn)。

“帶隙”是半導(dǎo)體領(lǐng)域常見的術(shù)語(yǔ)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它是半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部和價(jià)帶頂部的能量之差，帶隙越大，寬帶隙半導(dǎo)體功率器件可以運(yùn)行的電壓就將越高。

碳化硅具有高水平的擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速率和抗輻射能力，適用于高溫、高頻、耐輻射和大功率的器件，為消費(fèi)類電子和工業(yè)應(yīng)用帶來(lái)顯著的功效提升，并在新能源汽車、智能電網(wǎng)、軌道交通、光伏、風(fēng)電等領(lǐng)域形成獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

與硅、鍺、砷化鎵、甚至碳化硅器件相比，氮化鎵器件可以在更高的頻率和功率下工作，在光電器件、高頻高功率電子器件應(yīng)用上具有廣闊前景。

日本科學(xué)家赤崎勇、天野浩與中村修二提出基于氮化鎵生產(chǎn)藍(lán)色發(fā)光二極管 (LED) 的方法，在照明行業(yè)引發(fā)一場(chǎng)革命，并因此獲頒2014年“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”。

第四代

半導(dǎo)體材料蓬勃：新秀迭起

第四代半導(dǎo)體材料主要是以氧化鎵(Ga2O3)、金剛石(C)和氮化鋁(AIN)為代表的超寬帶隙半導(dǎo)體材料，以及以銻化物（銻化銦、銻化鎵）為代表的超窄帶隙半導(dǎo)體材料。其中，氧化鎵更是被稱作是真正意義上的下一代半導(dǎo)體材料。

氧化鎵的超寬帶隙使其能夠在更高的電壓下維持較高的擊穿電壓和臨界電場(chǎng)；在同等規(guī)格下，更寬的帶隙材料可以制造尺寸更小、功率密度更高的器件；

導(dǎo)電性能和發(fā)光特性良好；

具備天然的深紫外光感應(yīng)能力和超強(qiáng)的耐輻射性能；

具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

氧化鎵的超寬帶隙特性意味著它在功率器件中有巨大潛力，例如在電動(dòng)汽車、電力系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)等領(lǐng)域中都能有所應(yīng)用。在光電子元件方面，由于氧化鎵薄膜是透明的，因此可以用作透明面板的組件。此外，氧化鎵還可以用于光電和氣體傳感器領(lǐng)域。

超窄帶隙材料則具有電子遷移率高、導(dǎo)電性強(qiáng)和熱電性能好等特性，可以被用于光電子、微電子和熱電器件等領(lǐng)域。

回顧這數(shù)十年來(lái)半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程，人們對(duì)體積更小、效率更高的半導(dǎo)體器件的需求，以及技術(shù)和工藝的不斷精進(jìn)，一直推動(dòng)著半導(dǎo)體材料的更迭。由于其物理和化學(xué)性質(zhì)的不同，每一代半導(dǎo)體材料都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，新一代材料的出現(xiàn)和發(fā)展，更多是對(duì)現(xiàn)有半導(dǎo)體領(lǐng)域在功能和性能上的拓展和完善。

如今，越來(lái)越多的元素正在被評(píng)估，用于制作新的化合物或投入新的應(yīng)用，隨著制造工藝的改進(jìn)，相信未來(lái)會(huì)有更多的元素和半導(dǎo)體材料被投入使用。

審核編輯：湯梓紅