目前，各個行業(yè)均在推動產(chǎn)業(yè)鏈智能化、信息化、自動化的進程，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)動力，對整個社會的發(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)出來的，而多晶硅作為制備單晶硅的前驅(qū)體，其對于純度的把控十分的嚴(yán)格，需要達到99.999999999%（小數(shù)點后9個9）。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。
半導(dǎo)體材料—鍺
事實上，鍺在半導(dǎo)體發(fā)展初期是主流的材料，第一個晶體管是鍺基晶體管，第一個集成電路芯片是鍺芯片。鍺與硅一樣同屬于IV族的元素，比硅多了一個電子層，因為屬于同族的元素，所以鍺具有和硅類似的半導(dǎo)體特性，可以用來放大信號；因為鍺比硅多了一個電子層，所以它相較硅會更加的活潑，在溫度高于70℃的情況下，鍺晶體管就無法工作了，這也是導(dǎo)致后來鍺無法與硅競爭的一大關(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量僅為8600金屬噸，主要分布在美國、中國和俄羅斯。因為資源較少，導(dǎo)致其成本十分高昂，使得其很難大規(guī)模的進行量產(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、航空航天測控。
半導(dǎo)體材料—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就可以建成工廠進行生產(chǎn)。其次它的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)都十分穩(wěn)定；本身無毒無害，對于環(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，能夠達到很高的純度，基于以上種種因素，硅當(dāng)之無愧的成為了半導(dǎo)體材料中的基本材料。
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、各種有機半導(dǎo)體材料等。
半導(dǎo)體材料—氮化鎵
鎵元素屬于III族，一般不會單獨使用，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、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。
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，在同等體積下可實現(xiàn)更高的充電功率；在無線通信領(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；在無人駕駛汽車領(lǐng)域中，由于氮化鎵場效晶體管的開關(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。
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，但在實際應(yīng)用中，或因為制作工藝難度高、或因為成本高昂，使得大規(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。
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