半导体是指在常温下导电性能介于绝缘体与导体之间的材料。常见的半导体包括硅、锗等元素半导体及砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体。

半导体材料“发现史”

人类认识半导体的历史可以追溯到1782年以前，沃尔特（A.Volta）通过静电计对不同材料进行接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介于其间的“半导体”，随后他也最早使用了“半导体”一词。

1833年，法拉第（M.Faraday）发现了Ag2S具有负的电阻温度系数，史密斯（W.R.Smith）发现硒的光电导现象，布劳恩（F.Braun）于1874年发现了PbS和FeS2与金属探针接触时的整流现象，揭开了人类研究半导体材料的新篇章。

20世纪成为人类在材料发展史中流光溢彩的辉煌历史时期，由于社会进步及军事电子技术发展的迫切需要，使人们意识到：未雨绸缪的时候到了。于是一大批新型电子材料应运而生：

1910年蒂埃尔(Thiel)等首次报道了人工合成磷化铟(InP)材料，这成为了人类研究III-V族化合物的最早记录。

1929年，戈尔德施米特（Goldschmidt）首次合成了出了GaAs，并指出其具有闪锌矿结构。

1940~1945年，对PbS，PbSe和PbTe作为红外探测材料进行了大量研究。

1950年，用直拉(CZ)法制备出第一颗锗(Ge)单晶。

1952年，制备出第一颗硅(Si)单晶。

1954年，用区熔(FZ)法，水平(HB)法制备出砷化镓(GaAs)单晶。

德国的Welker于1950年代初期开展了III-V族半导体材料的生长研究。

1963年纳尔逊(H.Nelson)用液相外延法（LPE）生长了GaAs外延层，并做出了半导体激光器。

1965年，耐特(Knight)首次用气相外延(VPE)法成功地制备了砷化镓(GaAs)单晶薄膜。

1965年，Mullin等报道了GaAs单晶的液封直拉生长方法，1960年代末开始用LEC法生长InP和GaP单晶。

从新材料家族中涌现出来的新秀，不但为材料王国的兴盛带来了曙光，也为新一代军事电子装备的发展带来了希望。

与锗、硅材料相比，化合物半导体GaAs、InP具有许多优点：直接跃迁型能带结构，具有高的电光转换效率。电子迁移率高，易于制成半绝缘材料，适合制作高频微波器件和电路。工作温度高（400-450℃）。具有强的抗辐射能力。作为太阳能电池材料的转换效率高等。这些特性决定了GaAs、InP等材料在固态发光、微波通信、光纤通信、制导/导航、卫星等民用和军事等领域的应用十分广阔。

这是第一代半导体与第二代半导体材料的问世时间表，我们再来看一下第三代半导体代表材料——碳化硅。

1891年，美国人艾奇逊（E.G.Acheson）在自家铁锅里鼓捣粘土（硅酸铝）和焦炭粉的混合物，本意是想合成人造钻石。

结果钻石没搞成，倒是在熔炉底部扒拉出一种黑亮黑亮的东西。硬度只比钻石小一丁点，火彩甚至比钻石还闪。

他随后利用碳和沙子的混合物扩大生产，这就是人类合成碳化硅的最早记录。

两年后，诺贝尔奖得主亨利·莫桑（Henri Moissan）在分析坠落到美国亚利桑那州代阿布洛峡谷的陨石碎片时，发现了天然碳化硅。

之后碳化硅以"金刚砂"之名长期用作磨料和耐火材料——在此后很长岁月里，它与电子学毫无交集。1907年，英国工程师亨利·朗德在碳化硅晶体上首次观察到电致发光，这是人类对半导体发光效应的最早记录之一，但受制于晶体质量，碳化硅的半导体价值长期无法兑现。

原因是硅在常压下有液态，可以用直拉法低成本拉出大直径无缺陷单晶。碳化硅在常压下没有液态，只能依赖升华—凝华的气相传输缓慢生长，生长速度以毫米每天计、温度超过2000°C且过程不可直接观测。

1955年，荷兰飞利浦实验室的莱利提出Lely升华法，首次生长出具有一定尺寸与纯度的碳化硅单晶。

1978年，苏联科学家泰罗夫与茨维特科夫在Lely法基础上引入籽晶，实现定向生长，这正是今天主流的物理气相传输法（PVT）的技术雏形。

半导体材料“商业化历史”

半导体技术的商业化生产历史可以看作是一系列工艺技术不断更新发展的历史。

第一个商业化晶体管是用锗(Ge)制造的，但在20世纪60年代早期，硅(Si)器件很快就在性能和价位上超过了它。

硅现在能确立在半导体工业中的统治地位，部分要归功于工艺技术的不断开发，使得硅器件在集成功能性和价位上具有很强的竞争能力。

第三种商业化半导体技术出现于20世纪80年代后期，来自于化合物材料领域——砷化镓(GaAs)，当时曾有人预言GaAs将全面代替Si，20多年过去了，这种局面不仅没有出现，而且Si在更多的领域发挥出优异的表现。

在1970年代中后期，以InP单晶为衬底制作的长波长激光器首次实现了室温下激射后，InP单晶开始逐步引起人们的重视，到1980年代初期，InP基高电子迁移率晶体管的出现，使得InP在微电子领域也表现出优异的特性，而且人们认为可以在InP上方便的实现光电集成，使相关领域产生巨大的飞跃，因此，1980年代后期即有科学家预言半导体材料发展的第四次浪潮已经出现，认为InP及其相关材料能够很快替代砷化镓的化合物半导体技术，用于高性能、大批量商业应用中。

确实，InP在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明显地显示出使人信服的优于砷化镓的性能优点，我们相信这些优点将使InP与其它材料拉开差距，但由于其性价比和很多实际工艺问题，GaAs、InP所扮演的角色只是发挥其各自优势，与其他材料间没有完全替代性的关系。

而且，化合物半导体材料的很多属性还远远未被了解，还有待于进一步深入探讨。InP的发展之路还充满了曲折与艰辛。但这一切正说明了InP继续值得深入研究的重要性。

对于碳化硅而言，Wolfspeed的早期发展几乎等同于碳化硅产业史本身。

1989年Wolfspeed推出全球首款商用蓝色LED（基于碳化硅衬底的氮化镓结构），1991年发布全球首片商用碳化硅衬底。

整个1990年代至2000年代，Wolfspeed将衬底尺寸从1英寸逐步推进到4英寸。

2001年，英飞凌推出全球首款商用碳化硅肖特基二极管（SBD），率先应用于服务器与通信电源。

2010年，罗姆在全球率先实现碳化硅MOSFET量产。2011年Wolfspeed发布其首款MOSFET。MOSFET的成熟意味着碳化硅具备了与硅基IGBT在主流功率变换场景正面竞争的能力——此前碳化硅二极管只是硅基方案的"效率补丁"，此后碳化硅可以作为主开关器件整体替代硅基IGBT。

2018年，特斯拉在Model3主驱逆变器中采用意法半导体供应的碳化硅MOSFET模块，这是产业发展的分水岭。

自此，碳化硅起飞。

第四代半导体已登上舞台

第四代半导体主要包括氧化镓、金刚石、氮化铝，他们具有超宽禁带（＞3.4eV）、极高击穿场强与热导率，面向极端工况。

与前三代相比，第四代半导体不再只是性能提升，而是开始触及材料物理极限。

从材料物理上看，氧化镓的击穿电场显著高于SiC，其理论Baliga优值可达碳化硅的约10倍，这意味着在相同耐压条件下，器件可以做得更薄、损耗更低，特别适合万伏级以上的超高压功率器件。这一点，使其在下一代电力电子体系中具备“代际跃迁”的潜力。在器件层面，氧化镓肖特基二极管（SBD）已进入工程验证阶段，围绕MOSFET等关键器件结构的研究也在加速推进。

相比之下：金刚石更接近“物理极限解”，热导率为硅的约50倍，但受制于掺杂与制造难度，短期仍偏研究。

氮化铝（AlN）在深紫外光电领域优势突出，是特定场景的关键材料。

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