剖析四种新的半导体材料特点和应用前景
材料可以说是电子信息产业金字塔最顶端的那个皇冠，如果材料性能不好，电子产品性能也不可能优秀。电子材料从一代二代到如今第三代，历经50多年发现，第三代材料已经开始小面积应用，未来的前景是广阔的。本文笔者带大家认识一下这些新材料的特点。
随着硅这种半导体材料的广泛应用，人们开始关注更多的材料，以便制成性价比更高的电子产品，抢占市场。第一代半导体材料主要是硅和锗等半导体材料，目前仍是整个电子材料市场的主力。随着技术的进步，第二代半导体材料应运而生，这一类材料是主要是砷化镓、Ge－Si以及玻璃半导体等组成，目前也有一些实用的产品。当前和未来最被看好的半导体材料是第三代半导体材料，也叫宽禁带半导体材料，这类材料的性质非常优越，可以说集第一第二代材料优点，是集大成者的材料，尤其适合光电显示、军工和新能源汽车、卫星研究等，是前景最广阔的一类材料。随着市场对半导体器件微型化、导热性的高要求，这类材料的市场需求暴涨，适用于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件。
碳化硅是最接近大规模商业化的第三代半导体材料
碳化硅又叫金刚砂，是用石英砂、石油焦、木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物莫桑石，在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种。
碳化硅是当前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对碳化硅的研究很重视，美欧日等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划。碳化硅因具有很大的硬度而成为一种重要的磨料，但其应用范围却超过一般的磨料。它所具有的耐高温性、导热性而成为隧道窑或梭式窑的首选窑具材料之一，它所具有的导电性使其成为一种重要的电加热元件等。碳化硅材料还可应用于功能陶瓷、耐火材料、冶金原料等应用领域。碳化硅器件的发展难题不是设计难题，而是实现芯片结构的制作工艺，如碳化硅晶片的微管缺陷密度、外延工艺效率低、掺杂工艺的特殊要求、配套材料的耐温等。碳化硅生产的另一个问题是环保，由于碳化硅在冶炼过程中会产生一氧化碳、二氧化硫等有害气体，同时粉尘颗粒如果处理不当，污染非常严重。
氮化镓在电子上的应用与难点
氮化镓是氮和镓的化合物，是一种直接能隙的半导体，该化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，可以用在高功率、高速的光电元件中，如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光器的条件下，产生紫光的激光。氮化镓是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，在光电子、激光器、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。氮化镓材料的发展难题有三个，一是如何获得高质量、大尺寸的氮化硅的籽晶，直接采用氨热方法培育一个两英寸的籽晶需要几年时间；二是对于氮化镓材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，因为氮化镓极性太大，难以通过高掺杂来获得较好的金属半导体欧姆接触，工艺制造较复杂；三是氮化镓产业链尚未完全形成。
由于天然含量甚少，碳化硅主要多为人造，常见的方法是将石英砂与焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食盐和木屑，置入电炉中，加热到2000°C左右高温，经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。法国和瑞士科学家首次使用氮化镓成功制造出了性能优异的高电子迁徙率晶体管。据笔者获悉，珠海一家公司拥有8英寸硅基氮化镓量产生产线，这是中国首条实现量产的8英寸硅基氮化镓生产线。当前氮化镓的工艺制造难题是薄膜冷却时受热错配应力的驱动下，容易发生破裂或翘曲，成为硅基氮化镓大英寸化的主要障碍。
氧化锌在电子上的应用
氧化锌的化学式是ZnO，学过化学的小伙伴知道，这是一种白色粉末，是两性氧化物，难溶于水但可溶于酸，氧化锌的化学性质活泼，能与镁粉、铝粉、等物质发生化学反应，并有爆炸的可能。为什么氧化锌被称为第三代半导体材料，因为它的化学性质，让它能应用在半导体上。半导体材料需要更好的稳定性，如它的能带隙和激子束缚能较大，有优异的常温发光性能，在半导体领域的液晶显示器、发光二极管以及薄膜晶体管等产品中可以发挥大的作用，这几个领域都是很有前景的。
对于活性的氧化锌，它的特点是纯度更高，不纯物的含量更低，表面积更大，这有利于增加半导体的导电性和工作效率，所以活性的氧化锌也有很多应用，如在具备常规块体材料所不具备的特点，具有抗红外和紫外等特点，例如采用纳米氧化锌制备的压敏电阻，不仅具有较低的烧结温度，整个电阻性能全面提升，电阻的非线性系数、通流能力超越一般电子材料的能力。光电子将是氧化锌未来突破的一个关键领域，相对于碳化硅和氮化镓，氧化锌在光电显示、电磁产品、热敏感应等方面有着独一无二的能力。
金刚石的特性与应用
从化学元素上来说，金刚石和所谓的石墨和木炭并没有区别，差别是碳原子的排列。金刚石是无色正八面体晶体，其成分为纯碳元素，由碳原子以四价键链接，这样的结构和化学排列让金刚石成为目前自然界中最坚硬的物质之一。金刚石不仅硬度大，熔点极高，而且不导电，是一种独特的半导体。正是这样的性质让它有很多用途，人们所说的钻石其实主要成分就是金刚石。金刚石以前最大的用途是工艺品和工业切割，但是科学家发现金刚石作为一种材料，在半导体领域的应用同样很多，也有很大的应用前景。
金刚石材料能有很好的应用，这是因为它的亮度、色散和光泽等性质决定。如金刚石有极高的反射率，其反射临界角较小反射光量大，能产生很高的亮度。还有，金刚石多样的晶面象三棱镜一样，能把通过折射、反射和全反射进入晶体内部的白光分解成各种类型的光，金刚光泽也是一个很好的优势等等，光电器件、工业机器人和航空应用等都将是金刚石材料的未来的主战场。金刚石材料在电子元器件封装和电子薄膜等上有着非常好的应用，受制于成本，未能大面积普及，但是随着量和技术的进步，普及也是有可能的。我国目前还未掌握最先进的金刚石生产方法，这种材料的生产方法包括高温高压法技术，这个是最成熟的方法，还有化学气相沉积法，这种方法不成熟，产业化难度还很大，在研究之中。
近年来，我国半导体材料市场发展迅速，其中以碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石等为主的材料备受关注。它们这类材料都有这样共同的特点，比如均有着好的前景，材料特性优于第一第二代半导体材料等。化学特性的不同造就了其不同的应用领域，碳化硅在新能源汽车上优势明显，氮化镓特别适用于晶体管和模拟电路等，氧化锌独特的特点在光电显示等优势明显，金刚石薄膜在粒子探测器中的应用，金刚石在激光等上优势也很好等等。虽然前景好，但产业化难题仍然摆在我们面前，如我国材料的制造工艺和质量并未达到世界顶级，材料制造设备依赖于进口严重，碳化硅与氮化镓材料和器件方面产业链尚未形成，金刚石材料很贵，而氧化锌产业链太缺失等，这些问题需逐步解决，方可让国产半导体材料屹立于世界顶尖行列。随着技术的进步，未来四种半导体材料相辅相成，组成中国强大的半导体产业。
中科院造出新型碳材料，未来有望用于半导体、量子计算等领域
中国科学院化学研究所研究员郑健团队以富勒烯为基本单位，运用巧妙的实验方法，创制出一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合碳60，并得到了确定的晶体价键结构。这种新材料在常压下通过简单的反应条件即可制备，未来有望应用于半导体、超导、量子计算等领域。6月16日，相关研究成果刊发在《自然》杂志。
图a：准六方聚合C60的单晶结构示意图。每个C60与周围6个C60通过C-C共价键相连。图b：单层聚合C60的STEM图片，C60笼簇在STEM图片中显示为圆环。
同一种元素构成的物质，由于原子排列不同，会展现出不同的物理、化学性质，即同素异形体。碳元素可与包括自身在内的几乎所有元素形成结构丰富的碳网络，金刚石、石墨、富勒烯、石墨烯、石墨炔等，都是碳的同素异形体。
“碳是最多样神奇的材料，它可以从最软到最硬，从绝缘到超导，蕴含着无限可能。”郑健说，探索新的碳材料一直是材料化学的经典挑战，此前，科学家大多以碳原子为基本单位，进行碳材料的平面结构构筑。而使用被称为“人造原子”的纳米团簇来“盖大楼”，构筑出更高级的二维拓扑结构，一直未能实现。
郑健的目标便是突破这一难题。读研究生时，郑健就参与了石墨烯的科研工作，“当时能接触到的所有碳材料都是国外的，我就在想，什么时候能做一个我们自己的材料”。于是，他将目光放在了碳原子的纳米团簇之一——富勒烯，希望将其作为“砖块”，创造出新的碳材料。
“一个富勒烯上有60个碳原子，整体是个足球的形状，所以也叫‘足球烯’。在制备新材料的过程中，要让每个碳原子按我们的意志乖乖‘听话’，实现大范围的连接，是个很大的挑战。”谈起研发过程，郑健说，仅是方案的构思和探索，团队就用了5年时间。一个“砖块”放错位置，或一处共价键连接有误，整体的结构就会变为无序状态。
传统的“垒砖块”、表面催化等方法都行不通，科研团队便发挥想象力，运用“迂回战术”，先在晶体制备过程中掺入离子，聚合后再去掉离子，终于得到了结构稳定的新材料。这种方法在常压下使用简单的反应条件即可完成，郑健和团队进行了上百次单晶结构测试，得到了确凿的结构，摸索出有效参数，终于做出了我国原创的新型碳材料——单层二维聚合碳60单晶，并确认了它在原子层面的连接方式。
这是继石墨烯、石墨炔后又一种稳定的碳材料，已实现常温稳定保存2年以上，在超过300摄氏度的高温下仍能稳定存在。新材料的带隙与单晶硅接近，未来有望用作半导体材料，其独特的共轭碳结构、巨大的晶格，在超导、量子计算、信息及能量存储等领域也具有潜在的应用价值。
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