目前，各個(gè)行業(yè)均在推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈智能化、信息化、自動(dòng)化的進(jìn)程，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)作為全球科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展變革的核心驅(qū)動(dòng)力，對(duì)整個(gè)社會(huì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。硅是當(dāng)前非常重要的半導(dǎo)體材料，全球有近95%的半導(dǎo)體芯片、器件是由單晶硅硅片作為基底功能材料生產(chǎn)出來(lái)的，而多晶硅作為制備單晶硅的前驅(qū)體，其對(duì)于純度的把控十分的嚴(yán)格，需要達(dá)到99.999999999%（小數(shù)點(diǎn)后9個(gè)9）。粉體圈小編將通過專題的形式向大家詳細(xì)介紹半導(dǎo)體材料，本文先聊聊為什么要用硅作為半導(dǎo)體的基底材料？

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具影響力的一種。

鍺

事實(shí)上，鍺在半導(dǎo)體發(fā)展初期是主流的材料，第一個(gè)晶體管是鍺基晶體管，第一個(gè)集成電路芯片是鍺芯片。鍺與硅一樣同屬于IV族的元素，比硅多了一個(gè)電子層，因?yàn)閷儆谕宓脑兀枣N具有和硅類似的半導(dǎo)體特性，可以用來(lái)放大信號(hào)；因?yàn)殒N比硅多了一個(gè)電子層，所以它相較硅會(huì)更加的活潑，在溫度高于70℃的情況下，鍺晶體管就無(wú)法工作了，這也是導(dǎo)致后來(lái)鍺無(wú)法與硅競(jìng)爭(zhēng)的一大關(guān)鍵因素。

再者是鍺比較稀有，礦產(chǎn)資源分布較為分散。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2016年曾發(fā)布的一份數(shù)據(jù)顯示，全球已探明的鍺保有儲(chǔ)量?jī)H為8600金屬噸，主要分布在美國(guó)、中國(guó)和俄羅斯。因?yàn)橘Y源較少，導(dǎo)致其成本十分高昂，使得其很難大規(guī)模的進(jìn)行量產(chǎn)加上其熱穩(wěn)定性不好、半導(dǎo)體的界面缺陷很多、氧化物不夠致密等問題，使得其市場(chǎng)份額逐步減少。目前鍺主要應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域的特定場(chǎng)景，如90nm以上CMOS（數(shù)碼攝像器材感光元件）的生產(chǎn)、核物理探測(cè)、航空航天測(cè)控。

硅

反觀硅，作為僅次氧的排名第二的地球元素，其含量巨大，不需要過分選擇地點(diǎn)就可以建成工廠進(jìn)行生產(chǎn)。其次它的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)都十分穩(wěn)定；本身無(wú)毒無(wú)害，對(duì)于環(huán)境非常友好；有著致密、高介電常數(shù)的氧化物，可以輕易制備出界面缺陷極少的硅氧化硅界面；提純的操作比較容易，能夠達(dá)到很高的純度，基于以上種種因素，硅當(dāng)之無(wú)愧的成為了半導(dǎo)體材料中的基本材料。

氧化硅原子結(jié)構(gòu)圖

隨著科技的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)硅存在電子遷移率和飽和電子速率較低、發(fā)光性差、襯底高頻損耗較高等問題，這些因素限制了硅在半導(dǎo)體某些領(lǐng)域的應(yīng)用。于是有非常多的科學(xué)家開展了一系列新型材料的研究，如氮化鎵、石墨烯、各種有機(jī)半導(dǎo)體材料等。

氮化鎵

鎵元素屬于III族，一般不會(huì)單獨(dú)使用，而是作為化合物結(jié)合成氮化鎵、砷化鎵、氧化鎵等。氮化鎵（GaN）是最具代表性的第三代半導(dǎo)體材料之一，是目前世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體材料。氮化鎵具備更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率、更高的電子飽和速率及更優(yōu)的抗輻照能力，使得其應(yīng)用非常的廣泛。

半導(dǎo)體材料特性參數(shù)對(duì)比

在電源領(lǐng)域，由于氮化鎵的禁帶寬度高，具有優(yōu)良的功率轉(zhuǎn)換效率，在同等體積下可實(shí)現(xiàn)更高的充電功率；在無(wú)線通信領(lǐng)域，氮化鎵射頻功率放大器（PA）具有更快的開關(guān)速度，可用于更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。與其他半導(dǎo)體相比，它的功率更大、頻率更高、體積更小、可以承受更高的工作電壓，在5G通信基站中可以有效減小收發(fā)通道數(shù)，從而降低整體成本；在無(wú)人駕駛汽車領(lǐng)域中，由于氮化鎵場(chǎng)效晶體管的開關(guān)速度是傳統(tǒng)的MOS晶體管的十倍，使得激光雷達(dá)具有更快的響應(yīng)速度和更佳的圖像解析度以生成電子地圖。

*禁帶是指電子從原子核軌道上脫離所需要的能量，氮化鎵的禁帶寬度為3.4eV，是硅的3倍多，禁帶寬度決定了一種材料所能承受的電場(chǎng)。

雖然以氮化鎵為代表的一系列新型材料在某些方面的性能能夠超過硅，但在實(shí)際應(yīng)用中，或因?yàn)橹谱鞴に囯y度高、或因?yàn)槌杀靖甙海沟么笠?guī)模工業(yè)應(yīng)用還存在相當(dāng)?shù)碾y度，所以當(dāng)前還并未替代硅成為主流的半導(dǎo)體材料，但隨著技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用前景還是非常可觀的。

數(shù)據(jù)來(lái)源：未來(lái)智庫(kù)、知網(wǎng)

圖源：中國(guó)國(guó)家地理、百度