作為“二十世紀最重要的新四大發(fā)明”之一，半導體的重要性不言而喻。從電子產(chǎn)品到航空航天，從人工智能到生物醫(yī)學，半導體無處不在，深刻地塑造著我們生活的方方面面。

作為半導體產(chǎn)業(yè)的基石，半導體材料也經(jīng)歷了多個發(fā)展階段：

20世紀50年代，鍺 (Ge) 和硅 (Si)脫穎而出，世界上第一個半導體器件就是由鍺制成的，由此開啟了半導體材料的歷史之旅；

隨著光纖和移動通信的崛起，以砷化鎵 (GaAs) 和磷化銦 (InP) 為代表的第二代半導體材料逐漸嶄露頭角；

以氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 為代表的第三代半導體材料在新能源汽車、5G通信、光伏、消費電子等領域獲得廣泛應用；

第四代半導體材料，包括以氧化鎵 (Ga2O3) 、金剛石和氮化鋁 (AlN) 為代表的超寬帶隙半導體以及以銻化物（銻化銦、銻化鎵）為代表的超窄帶隙半導體，正在得到越來越多科學家和工程師的關注。

面對復雜而神秘的半導體世界，很多人可能會問：半導體材料的發(fā)展經(jīng)歷了哪些變化？它們是如何被發(fā)現(xiàn)的？傳說中硅無所不能是真的嗎？今天，請跟隨泛林一起來探尋半導體材料的“家族史”。

第一代

半導體材料緣起：硅鍺之爭

當年門捷列夫在排列元素周期表時，位于第32號位的元素尚未發(fā)現(xiàn)，他根據(jù)元素周期律預言了該元素性質(zhì)，并稱它為“類硅”。10多年后，德國化學家文克列爾發(fā)現(xiàn)了這個元素，并測出其元素性質(zhì)竟與門捷列夫預言的“亞硅”完全一致。它，就是鍺。

二戰(zhàn)期間，鍺的價值被人們逐漸發(fā)現(xiàn)并認可。鍺的熔點低，方便科學家和工程師們在實驗室內(nèi)用它來進行各種試驗。在當時，鍺被用來制造高精度的雷達接收機，而世界上第一個晶體管也是于1947年在貝爾電話實驗室使用鍺制造而成的。然而，鍺的低熔點卻是一把雙刃劍。作為半導體材料，鍺在高溫下容易受到破壞。

這時，一直因為熔點高而沒有受到半導體界重視的硅進入了貝爾實驗室的視野。他們認為，作為地殼中含量第二高的元素，硅是未來的材料，一旦找到能夠有效控制制造工藝的解決方案，它的價格會比鍺低很多，因此他們把大部分研究經(jīng)費投入到以硅為原料的器件上。

功夫不負有心人，1960年，貝爾實驗室開發(fā)出表面穩(wěn)定的硅晶體管，使人們的目光從鍺轉(zhuǎn)移到了硅。這項研究在業(yè)界獲得了廣泛好評，標志著硅代替鍺成為了商用領域最具主導性的半導體材料。

硅的優(yōu)勢在于易于提純和結晶；硅材料制造的半導體器件具有良好的耐高溫和抗輻射性能；濺鍍的二氧化硅 (SiO?) 薄膜純度高、絕緣性能出色，制成的硅器件更加穩(wěn)定可靠。

如今，全球95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都以硅作為基礎材料?？梢哉f，我們生活在“硅”的時代。

第二代

半導體材料進階：伴“光”而興

隨著基于光通信的信息高速公路的興起和社會信息化的發(fā)展，以砷化鎵 (GaAs)、磷化銦 (InP) 為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角，并展現(xiàn)出其優(yōu)越性：

在能帶結構上有直接帶隙，光電性能佳；

電子遷移率比硅更高，因而工作頻率也更高；

帶隙相對硅更寬，更能抗高溫、抗輻射。

正因如此，第二代半導體材料成為制造高性能微波、毫米波器件和發(fā)光器件的出色選擇，被廣泛應用于高速、高頻、高功率和發(fā)光電子器件的生產(chǎn)。隨著信息技術和互聯(lián)網(wǎng)的興起，它們被廣泛用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信和GPS導航：砷化鎵和磷化銦半導體激光器成為光通信系統(tǒng)中的關鍵器件，砷化鎵高速器件也開辟了光纖和移動通信的新產(chǎn)業(yè)。

第二代半導體材料雖然實現(xiàn)了很多進步，但也并非“完美無瑕”。它們存在原料稀缺、價格昂貴、毒性大、污染環(huán)境等劣勢，因此限制了其應用。

進入新世紀后，信息技術飛速進步，材料學發(fā)展突飛猛進，半導體材料又迎來新的發(fā)展階段。下周我們將繼續(xù)探索第三代與第四代半導體材料的發(fā)展歷程。

溫故知新

下期前瞻

第三/四代半導體材料一定優(yōu)于第一/二代半導體材料嗎？

A．是

B．不是

讀完全文，相信你已經(jīng)找到了第一個問題的答案，第二問我們將在下期文章中進行解答，敬請關注！

審核編輯：湯梓紅