我國四代半導體獲重大進展，能幫助解決當前卡脖子難題嗎？

最近有一些新聞報道說，我國科學家在第四代半導體材料的研究方面取得了重大進展，比如寬帶隙的氧化鎵材料，或者窄帶隙的銻化鎵材料，等等。那么，什么是第四代半導體呢？

半導體科技的三大支柱是材料、物理和器件。巧婦難為無米之炊，有了好的材料，才能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象、研究新的物理規(guī)律，才能制作更新更好的器件。

半導體材料通常都是晶體，構成材料的原子在空間中的排列是周期性的，單個原子中的能級就展開為半導體材料中的能帶，包括價帶和導帶。半導體材料有很多分類的方式，比如說，根據(jù)帶隙也就是價帶和導帶之間的能量差，有寬帶隙和窄帶隙的半導體，根據(jù)能帶里電子能量的極大值和極小值的相對位置，有直接帶隙和間接帶隙的半導體。

我們今天說的第四代半導體，主要是按照各種半導體材料在科研和應用中開始發(fā)揮重大作用的先后順序大致劃分出來的。前三代半導體材料的分類有共識，而第四代半導體具體包括哪些材料，還有爭議，但是它們現(xiàn)在吸引了很多科學家和工程技術人員的關注，將來有可能在很多應用中發(fā)揮重大作用。

鍺和硅是第一代半導體。第一個半導體晶體管就是用鍺單晶做的，但是這種材料的帶隙比較窄，容易受到環(huán)境溫度的影響，而且沒有合適的絕緣層跟它匹配，制作器件的時候就受到很多限制。后來人們發(fā)現(xiàn)，硅是更合適的半導體材料，帶隙比較寬，受溫度的影響小，硅的氧化物二氧化硅是非常好的絕緣層，容易制備而且跟硅匹配得好，所以硅材料成了第一代半導體中的主力軍。

硅是制備半導體芯片也就是集成電路的主要材料，但它是間接帶隙半導體，電子跟光的相互作用比較弱，不管是電光轉換還是光電轉換的效率都比較低，不適合做這方面的器件。為了克服這個困難，就出現(xiàn)了Ⅲ-Ⅴ族的砷化鎵、磷化銦等第二代半導體，它們都是直接帶隙的半導體，吸收光或者發(fā)射光的效率很高，適合于制作光電探測器、發(fā)光二極管乃至半導體激光器等等。

然而，典型的第二代半導體材料的帶隙也比較窄，它們發(fā)出的光是紅光或者紅外光，而在日常照明需要的可見光波段特別是藍綠光波段的效果并不好，直到第三代半導體的代表性材料Ⅲ-Ⅴ族的氮化鎵出現(xiàn)以后，才解決了這個問題。獲得諾貝爾物理學獎的藍光LED，現(xiàn)在應用廣泛的各種白光LED，都是基于寬帶隙的氮化鎵基的半導體材料。第三代半導體通常指的是寬禁帶半導體，除了氮化鎵以外，還有鋁鎵氮、碳化硅，等等，應用也不僅限于照明方面，在涉及大電流和高電壓的開關方面，第三代半導體的功率器件也大顯身手。

上面說的這三代半導體材料的研究歷史悠久，應用范圍廣闊，當然也還有進一步提高的余地，但是現(xiàn)在已經(jīng)有很多科學家和工程師們把目光轉向新的半導體材料，認為它們才是未來發(fā)展的方向，這就是所謂的第四代半導體，其中包括很多不同的材料體系，針對的是不同的應用目標：有的是更窄帶隙的銻化鎵、銦化砷等化合物半導體，瞄準的是更高效率的紅外乃至中紅外的探測和發(fā)光；有的是超寬帶隙的比如說氧化鎵或氮化鋁等材料，針對的是高溫環(huán)境、大電流或大電壓工作條件下的功率器件；還有些是各類低維材料例如碳基的納米材料或者二維原子晶體材料，希望發(fā)現(xiàn)新的物理效應和器件應用。

半導體科學技術與生產(chǎn)實踐和社會發(fā)展有著密切的聯(lián)系，一方面，半導體科學技術的發(fā)展?jié)M足了生產(chǎn)實踐的許多需求，但另一方面，社會的發(fā)展反過來又對半導體科學技術提出了新的更高的要求。前三代半導體材料都是在這種互相促進的過程中應運而生的，正在蓬勃發(fā)展的第四代半導體有可能解決它的前輩們無法解決的問題。這是一個充滿競爭的研究和發(fā)展領域，我國的科技人員也在努力工作，并取得了一些可喜的成果，比如說銻化鎵基的紅外材料和器件，超寬帶隙的氧化鎵單晶及其應用，以及新型二維原子材料方面的許多探索，都非常引人注目。但是，這樣進展是否能夠達到預期的目標，是不是能夠突破我們面臨的卡脖子難題，還需要等待時間的檢驗。讓我們拭目以待，并衷心祝愿我國的科技人員能夠取得更大的進步。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

作者：姬揚

審校：黃永光 中國科學院半導體所研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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來源: 星空計劃