什么是第四代半导体?我国在新半导体材料上取得进展

最近有一些新闻报道说,我国科学家在第四代半导体材料的研究方面取得了重大进展,比如宽带隙的氧化镓材料,或者窄带隙的锑化镓材料,等等。那么,什么是第四代半导体呢?

半导体科技的三大支柱是材料、物理和器件。巧妇难为无米之炊,有了好的材料,才能发现新的物理现象、研究新的物理规律,才能制作更新更好的器件。

半导体材料通常都是晶体,构成材料的原子在空间中的排列是周期性的,单个原子中的能级就展开为半导体材料中的能带,包括价带和导带。半导体材料有很多分类的方式,比如说,根据带隙也就是价带和导带之间的能量差,有宽带隙和窄带隙的半导体,根据能带里电子能量的极大值和极小值的相对位置,有直接带隙和间接带隙的半导体。

我们今天说的第四代半导体,主要是按照各种半导体材料在科研和应用中开始发挥重大作用的先后顺序大致划分出来的。前三代半导体材料的分类有共识,而第四代半导体具体包括哪些材料,还有争议,但是它们现在吸引了很多科学家和工程技术人员的关注,将来有可能在很多应用中发挥重大作用。

锗和硅是第一代半导体。第一个半导体晶体管就是用锗单晶做的,但是这种材料的带隙比较窄,容易受到环境温度的影响,而且没有合适的绝缘层跟它匹配,制作器件的时候就受到很多限制。后来人们发现,硅是更合适的半导体材料,带隙比较宽,受温度的影响小,硅的氧化物二氧化硅是非常好的绝缘层,容易制备而且跟硅匹配得好,所以硅材料成了第一代半导体中的主力军。

硅是制备半导体芯片也就是集成电路的主要材料,但它是间接带隙半导体,电子跟光的相互作用比较弱,不管是电光转换还是光电转换的效率都比较低,不适合做这方面的器件。为了克服这个困难,就出现了Ⅲ-Ⅴ族的砷化镓、磷化铟等第二代半导体,它们都是直接带隙的半导体,吸收光或者发射光的效率很高,适合于制作光电探测器、发光二极管乃至半导体激光器等等。

然而,典型的第二代半导体材料的带隙也比较窄,它们发出的光是红光或者红外光,而在日常照明需要的可见光波段特别是蓝绿光波段的效果并不好,直到第三代半导体的代表性材料Ⅲ-Ⅴ族的氮化镓出现以后,才解决了这个问题。获得诺贝尔物理学奖的蓝光LED,现在应用广泛的各种白光LED,都是基于宽带隙的氮化镓基的半导体材料。第三代半导体通常指的是宽禁带半导体,除了氮化镓以外,还有铝镓氮、碳化硅,等等,应用也不仅限于照明方面,在涉及大电流和高电压的开关方面,第三代半导体的功率器件也大显身手。

上面说的这三代半导体材料的研究历史悠久,应用范围广阔,当然也还有进一步提高的余地,但是现在已经有很多科学家和工程师们把目光转向新的半导体材料,认为它们才是未来发展的方向,这就是所谓的第四代半导体,其中包括很多不同的材料体系,针对的是不同的应用目标:有的是更窄带隙的锑化镓、铟化砷等化合物半导体,瞄准的是更高效率的红外乃至中红外的探测和发光;有的是超宽带隙的比如说氧化镓或氮化铝等材料,针对的是高温环境、大电流或大电压工作条件下的功率器件;还有些是各类低维材料例如碳基的纳米材料或者二维原子晶体材料,希望发现新的物理效应和器件应用。

半导体科学技术与生产实践和社会发展有着密切的联系,一方面,半导体科学技术的发展满足了生产实践的许多需求,但另一方面,社会的发展反过来又对半导体科学技术提出了新的更高的要求。前三代半导体材料都是在这种互相促进的过程中应运而生的,正在蓬勃发展的第四代半导体有可能解决它的前辈们无法解决的问题。这是一个充满竞争的研究和发展领域,我国的科技人员也在努力工作,并取得了一些可喜的成果,比如说锑化镓基的红外材料和器件,超宽带隙的氧化镓单晶及其应用,以及新型二维原子材料方面的许多探索,都非常引人注目。但是,这样进展是否能够达到预期的目标,是不是能够突破我们面临的卡脖子难题,还需要等待时间的检验。让我们拭目以待,并衷心祝愿我国的科技人员能够取得更大的进步。

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