（原）材料视角 | 灰色空间的佼佼者

初原载于 工大材料汇    2019-12-12

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导语

半导体，从被发现以来一直都是人们热议的话题和关注的焦点。它指的是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，如果把导体和绝缘体比作黑白两个极端，那么半导体就是徘徊于两者之间的“灰色空间”。近几年，随着第三代半导体的崛起，关于半导体的讨论热度再一次被推上了高峰，它着实成为了一个大热词汇。

    第三代半导体与第一代和第二代有着明显的区别。下面，我们来依次了解一下。

第一代半导体

第一代半导体以硅（Si）和锗（Ge）元素为主，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用。在日常生活中，我们接触得最多的是硅芯片。它是现代社会信息技术发展的基础之一，随着电脑、智能手机等各种电子设备的普及，几乎人人都要依赖以硅芯片为基础进行信息处理的设备来开展学习和工作活动。然而，随着科技的不断发展，硅芯片已经逐渐满足不了我们对于信息处理的要求。人们需要更快的速度和更少的延迟，但是硅的性能正在越来越多的领域达到极限。

第二代半导体

第二代半导体主要以化合物为主，例如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb），等等。这些材料主要应用在制作高速、高频、大功率以及发光电子器件上，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。此外，由于信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料还被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。

第三代半导体

 第三代半导体主要包含以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，因而更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

在传统硅芯片性能接近极限、半导体功耗发热问题日渐严重的情况下，科学家们正在努力制造性能更加良好、结构更加稳定的半导体材料。在各团队不懈的努力下，氮化镓（GaN）横空出世，成为了迄今为止最优秀的半导体材料之一。那么它为什么会如此的优秀呢？下面让我们揭开GaN的“庐山真面目”。

揭秘GaN

GaN早在1928年就被人发现，在2000年左右,人们就开始射频GaN技术的研究工作了。GaN结构类似纤锌矿（一种锌的硫化矿物，呈浅黄、褐或黑色，很多与纤锌矿等结构的物质都是半导体）

具有很大的硬度。它是第三代半导体材料中炙手可热的一员，拥有众多其他半导体材料不具有的性能优势。氮化镓主要具有以下几个突出优点：

1.GaN用作整流管能降低开关损耗和驱动损耗,提升开关频率,附带地降低废热的产生。这些特性让氮化镓应用在电源上有很好的发挥,降低元器件的体积同时能提高效率。

2.使用GaN代替传统的MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管，一种广泛使用的半导体器件）后,电源的驱动损耗、开关损耗会更小,死区也缩小(缩短优化开关转换时的死区时间)。

3.GaN具有更高的电子迁移率，使得半导体元件的反向恢复时间大幅缩短,也就是说几乎不存在反向损耗，效率更高。

    目前以GaN为材料制造的光电器件和电子器件在光学存储、激光打印、高亮度LED以及无线基站等应用领域具有明显的竞争优势,其中高亮度LED、蓝光激光器和功率晶体管是当前器件制造领域最为感兴趣和关注的。在最开始的研究阶段，GaN主要应用于军事、航天、科研等领域，主要为国家的尖端事业作出贡献。近几年，随着第三代半导体热度的猛烈蹿升，以及研究进度的不断推进，GaN器件已经逐渐走入了大众消费领域，逐渐走向平民化，以氮化镓材料的充电器、电源已经实现了量产。

GaN的优势

曾几何时，第三代半导体材料还是碳化硅（SiC）和GaN的二人转，但是随着时间的推移，GaN逐渐成为了受宠的那个。与SiC相比，GaN主要有两个明显优势：

1.成本控制。目前主流半导体厂商都在致力于以Si为衬底（具有特定晶面和适当电学，光学和机械特性的用于生长外延层的洁净单晶薄片）的GaN器件，以之来代替价格昂贵的SiC衬底。有专家预测，2020年以后，GaN器件的成本将会与传统的Si器件相当。

2.GaN是平面器件，现有的Si器件也是平面的，这体现了GaN强大的工艺兼容性，厂商不用再花费心思研究全新的加工方法，GaN也更容易与其他半导体器件集成。

现在，很多小伙伴都已经用上了5G网络，享受它惊人的速度和近乎没有的延迟。在5G时代,氮化镓更能发挥出巨大作用,成为半导体大街上最靓的仔。这种材料非常适合提供毫米波领域所需的高频率和宽带宽,加上低内阻低发热量、适合在高温环境下工作的特点,GaN材料将应用于各种被动散热的户外电子设备以及汽车上。有了5G网络的软件加持，再加上GaN材料的硬件加持，未来人类的信息、网络体验势必能达到一个全新的境界。

结语

GaN的研究工作最早于美国起步，之后日本、欧洲也开始着手于这方面的工作。最近几年，我国正在大力发展以GaN为代表的第三代半导体材料，致力于改变国家在这一块关键技术的落后局面。到目前为止国内已有四条4/6英寸SiC生产/中试线和三条GaN生产/中试线陆续投入生产，并且正在开发多个第三代半导体研发平台。相信在不远的将来，我国可以实现弯道超车，一举扭转半导体材料发展的被动局势。

本期问题：

1.氮化镓目前还存在哪些发展难题？

答案：成本高；难以获得高质量、大尺寸的 GaN 籽晶；氮化镓产业链尚未完全形成等

2.通过半导体材料的发展这个角度，你怎样理解科技发展与综合国力的关系？

精选留言1：

最初半导体材料多运用于军用领域。综合国力越强，则越有能力投入于研发领域，而研发的成果推动了科技发展。科技的发展最终会提升综合国力。

 ---------Вперед, товарищи

参考文献：

1、纳米防水网--国外超疏水材料技术发展及军事应用前景

2、知网--具有纳米微观特征的防水涂料及其制备方法

3、希森美克--浅谈希森美克疏水疏油及超亲水纳米涂层自洁原理！

本文作者：张骜

时任审阅：于世龙  刘孟茜

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