什么是半導體？從硅到氧化鎵 半導體是如何“進化”的？

在當今這個時代，手機、電腦等電子產品變得越來越智能、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。但我們如今使用的手機僅有兩百克左右，且不僅能打電話，還能上網瀏覽視頻、玩游戲。

在過去數十年間，電子設備體積極大縮小，性能卻成百上千倍的增加，這都要歸功于半導體材料領域的快速發展。

近期，中國科學技術大學微電子學院龍世兵教授課題組聯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，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展的?

一、什么是半導體?

我們身邊的材料可以根據導電性分為導體、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)。能帶是根據電子能量高低及狀態劃分的區域，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。

半導體內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域被稱為價帶，價電子在受到熱、光、電、磁等方式的激發時，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激發到自由狀態所需的最小能量。

禁帶寬度是區分導體、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。

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原子(簡稱摻雜)后，就會對半導體材料的物理和化學性質產生決定性的影響。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。

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，從而實現半導體電子器件的導通和關斷。半導體器件的導通和關斷兩種狀態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各種復雜的邏輯運算和數據存儲，進而制作出各種智能的電子產品。

二、禁帶越來越寬的半導體

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

我們已經知道，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、高溫等極端惡劣環境中工作的半導體元器件，就會因為內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境中也能使用，就必須采用禁帶寬度更大的材料。

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現，半導體光電器件的發光范圍和光探測范圍已經從紅外延伸到紫外。

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

三、四代半導體的發展現狀

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域，直到現在依然活躍，目前半導體器件和集成電路仍以硅晶體材料為主。據統計，用硅材料所制成的半導體產品占全球銷量的95%以上。以半導體硅為平臺，大規模集成電路在過去的幾十年里得到了長足的發展，直接推動了微型計算機的出現，進而導致IT和信息行業在上個世紀末的蓬勃發展。

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，在光通信領域顯示出巨大的優越性，是光通信系統中的關鍵器件。

但由于這些化合物半導體對環境危害較大，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光二極管領域已取得大規模商業化。目前氮化鎵商業化正朝著紫外發光器件(如紫外光LED和激光器等)前進，在射頻及電力電子領域也嶄露頭角。而碳化硅熱導率高，更適合高壓和高功率場景，目前已經在新能源汽車以及高鐵中得到大規模的使用。

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、高頻功率器件等領域得到了越來越多的關注和研究興趣。未來，氧化鎵極有可能成為高功率、大電壓應用領域的主導者。

四、總結

半導體的發展過程中，人們的需求始終是第一驅動力。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鍵尺寸從微米級別縮小到現在的7nm、5nm甚至3nm、2nm。而人們對高壓、高頻、大功率、紫外發光和探測的需求，直接推動了寬禁帶半導體和超寬禁帶的出現和發展。但由于不同半導體的物理化學性質不同，它們都有著自己獨特的優勢，新一代半導體的出現和發展，更多是對現有半導體領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成功，我們依然離不開“古老”的第一代半導體。