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趣科技 | 第三代半导体材料:初出茅庐却要把前辈全面取代

第一代半导体材料是元素半导体的天下,而第二、三代半导体材料便成化合物的天下,这其中经历了什么故事?而我国憋足大招准备在第三半导体材料方面弯道超车是否现实?

本期《趣科技》就来讲讲半导体材料的故事,从第一、二代走过,第三代半导体材料将讲述怎样的未来。

第一代半导体材料

20世纪50年代,锗(Ge)站在光鲜的舞台上,应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中,但锗半导体器件在耐高温与抗辐射方面却存在大大的短板,所以在60年代便把主导地位让给了硅。含量丰富、绝缘性好、提纯结晶简单,硅是至今应用最多的一种半导体材料主要应用于数据运算等领域。

第二代半导体材料

随着科技需求的日益增加,硅传输速度慢、功能单一的不足便暴露了出来,于是化合物半导体材料应运而生。20世纪90年代,搭上移动通信、光纤通信的顺风车,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的第二代半导体材料逐渐登上舞台,其中以砷化镓技术最为成熟。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,主要应用于通信领域,比如卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等。

第三代半导体材料

然而随着半导体器件应用领域的不断扩大,特别是特殊场合要求半导体能够在高温、强辐射、大功率等环境下依然坚挺,第一、二代半导体材料便无能为力,于是第三代半导体材料——宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev)成为被关注的重点,主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAS)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN),较为成熟的是碳化硅和氮化镓被称为第三代半导体材料的双雄,而氧化锌、金刚石、氮化铝的研究尚属起步阶段。

第三代半导体材料的崛起还有另外一个契机,半导体材料在生产中的主要污染物有GaAs、Ga3+、In3+等,而随着环保绿色概念的推广,人们试图找寻一种既能满足产品需求,又能不污染环境的新型半导体材料,于是目光投向了有机半导体(在半导体材料中渗入有机材料如C和N),GaN、SiC成为新星。

如今,以第三代半导体材料为基础的新兴技术正迅速崛起,抢占第三代半导体材料技术的高地也愈发激烈。第三代半导体材料为何如此耀眼,又将掀起一场怎样的技术革命呢?

材料特性

第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强的等优点。第三代半导体材料还具有发光效率高、频率高等特点,从而在一些蓝、绿、紫光的发光二极管、半导体激光器等方面有着广泛的应用,且在跃迁时放出光子的能量高,因此会有较高的光发射效率,光子发射的频率也较高。

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