半导体材料的发展历程

第一代半导体材料以错和硅为主。

最早的半导体材料是错。世界第一个晶体管和第一块集成电路的材料均是错。

1886 年，德国化学家温克勒（C. A. Winkler）首先制备出错，为纪念其祖国，他把这种新元素命名为 Gernanium，来源于德国的拉丁文名称 “Germania“。‍‍‍‍‍‍

1950年，美国人蒂尔（G.K.Teal）和里特尔 （J. B. Little）采用切克劳斯基(J Czochralski）法（又称直拉法或 CZ 法）拉出锗单晶。

锗的热导率较低，为 64W/(m •K），用错制造的器件只能工作在90°以下的环境，高于90°时，错器件的泄漏电流明显增大；错的熔点只有 937°C，难以承受诸如摻杂、激活、退火等高温工艺过程；同时，错的氧化物溶于水，结构不稳定，无法制成 MOS 器件；更重要的是，锗的机械性能较差，错单晶的直径不宜很大，错晶片的加工与运输也存在一定的安全问题。

1952 年，蒂尔和此勒(E. Buehler) 用直拉法拉出硅单晶。随后，德州仪器(TI) 于 1954 年成功制造了第一支硅晶体管。由于硅具备禁带宽度大（为1. 106ev）、热导率高（为 145W/(m •K））、硅氧化物是性能最好的介电绝缘材料、硅是地球上最丰富的元素之一（约占地壳质量的 26%） 等一系列优势，20世纪60年代以后．硅成为主流的半导体功能材料。

第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化钢（InP）、锑化钢 （Insb）和硫化锅（Cds） 等川-V族化合物材料为主，适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、亳米波器件以及发光器件的优良材料被广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信和全球定位系统(Clobal PositioningSystem, CPS) 等领域。

第三代半导体材料主要指以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN)、氧化锌 (ZnO）和氮化铝（AIN)， 等为代表的宽禁带（禁带宽度大于 2.2ev） 半导体材料。第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、功率密度大（氮化镓的功率密度是砷化镓的 10~30 倍）、热导率高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等优秀品质，因而更适合制作高温、高频、抗辐射、大功率器件和半导体激光器等。目前，较为成熟的第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓，碳化硅比氮化镓更成熟一些。

随着新器件的开发，更多高6介质（High-k Dielectric）材料（Mg、Ca、Sr、Ba、La、Hf等）、金属栅材料（Al、Ni、镧系金属、稀士金属等）、互连材料（Ti、Ta、W等）、存储器材料（各种过渡金属氧化物，如 BaTiO₃、S-TiO₃、TO₂、 ZrO₂、NO、 MoO₃、V₂O₅、 WO₃、ZnO 等）、外延和衬底材料（应变硅，FD-SOI 等）、碳基材料（碳纳米管、石墨烯等）的研究正在广泛展开。例如，FinFET (Fin Field FfeetTransistor，鳍式场效应晶体管）工艺将采用山-V族材料来增加载流子的迁移率，在互连结构中采用钛、钴或钌构成连线及氮化钛作为阻挡层材料。

审核编辑：汤梓红