半导体材料的发展进程

半导体材料的发展离不开电子工业的进程，然而最早的电子工业始于1906年李·德福雷斯特发明的真空管，它具备开关、放大的功能，是最早的电力电子器件，同时它也是最早的电子计算机ENIAC的主要构成部件。当时的ENIAC占地140平方米，重量达30吨，并需要一个小型发电站专门为其供电，1940年的运行成本为当时的40万美元，时任IBM董事会主席的托马斯·沃森甚至曾预言“我认为世界范围可能有5台计算机的市场”。由于真空管体积大、易破损、能耗高、老化快等缺点，学界一直在探寻如何找到真空管的替代品，基于贝尔实验室1947年锗（Ge）的双极型晶体管的发明人们终于找到了一种有真空管功能，但又具备体积小、重量轻、耗电低、寿命长等优点的电子器件替代品。锗（Ge）是最早采用的半导体材料，但由于其937℃的熔点限制了高温工艺，更重要的是，因为其表面缺少自然发生的氧化物，从而容易漏电。硅与二氧化硅平面工艺的发展解决了集成电路的漏电问题，使器件的稳定性与可靠性大为提高，同时硅1415℃的熔点允许其使用更高温的工艺。因此在60年代后期锗器件逐渐被硅器件取代，也由此开创了以硅基半导体材料为代表的固态电子时代。锗与硅也被称为第一代半导体材料。20世纪90年代以来，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脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。第三代半导体材料主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等，因其禁带宽度大于或等于2.3eV，又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求，是当前半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空航天、能源、通信、工业等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。目前在全部三代半导体材料中，虽然第一代半导体材料里锗最先被研究且应用，但由于其造价较高，稳定性较差，难以像硅基器件制作稳定、致密的二氧化硅绝缘层，因此在实际中应用极少，目前主要集中于半导体行业中部分光电子器件领域的发光二极管、太阳能电池；二代、三代半导体材料主要为化合物半导体，化合物半导体中，目前主流第二代半导体材料GaAs占据了化合物半导体市场上79%的份额，但得益于最大功率范围、频率、亮度、耗电量以及高频噪声等方面的优势，各大厂商都认为第三代化合物半导体（GaN以及SiC）在应用端将有更优异的表现。未来，当射频芯片市场向高功率、高频率演进，比如随着5G的不断应用，GaN将成为该领域最主要的解决方案材料；同时电力转换领域向高电压、高功率挺进时，SiC因其在高温、高压、高频方面的优势，将成为功率器件领域最有效率的制作材料。