半导体材料：第三次科技革命的创新与选择

半导体材料的出现掀起了第三次科技革命的浪潮，使人类社会迈进了电子信息时代。半导体是20世纪40年代发现的新型无机非金属材料。第一代半导体材料为元素半导体，锗和硅是最早用来制造晶体管的半导体材料。由于硅材料具有优良的半导体电学性能，绝大多数半导体器件都是在单晶片或在硅衬底的外延片上制作的，在半导体工业发展初期其他材料就逐渐为硅材料所取代。到目前为止，硅仍是制造二极管、晶体管和集成电路等器件的最主要材料。1947年，美国贝尔实验室的肖克利（William Shockley）领导的固体物理半导体研究小组研制成功了第一只点接触晶体管。1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC，使晶体管步入集成电路时代。可以说，硅材料的发现和使用使计算机发生了一场“革命”，极大地促进了计算机的更新换代。迄今，以硅为基质的半导体集成电路已经发展到超大规模集成、超高速集成以及三维多层集成的新阶段。

第二代半导体材料是化合物半导体，主要有砷化镓和磷化镓等。由于砷化镓具有电子迁移率高等优异的物理性质，目前被广泛应用于军事设施、激光探测器、高速器件、微波二极管中。

第三代半导体材料为宽禁带半导体材料，主要有碳化硅、金刚石和氮化镓等。由于碳化硅禁带宽度在3 eV以上，工作温度可以很高，允许在600℃下工作，常用于制作耐高温、抗辐射的半导体和高密度集成的电子器件，被广泛用在石油钻探、航空航天等领域。20世纪70年代初，石英光导纤维材料和砷化镓激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。70年代初期，美国IBM实验室的著名物理学家江崎与华裔科学家朱兆祥，基于试图人为控制半导体中电子的电势分布与波函数的设想，首次提出半导体超晶格的新概念。与此同时，美国贝尔实验室和IBM公司制成了第一类晶格匹配的组分型超晶格，开创了具有一维量子封闭性的半导体超晶格与量子阱研究的新局面，标志着半导体材料的发展开始进入人工设计的新时代。这个阶段的突出特点是低维化，即当材料特征尺寸在某一维度小于电子平均自由程时，电子能量将不再是连续的而是量子化的，如超晶格、量子阱、量子线、量子点与纳米晶粒等低维半导体材料。用低维材料制作的纳米器件可实现单电子或数个电子的量子调控，将大幅提升集成度，降低功耗。(www.xing528.com)

低维半导体材料的出现，使半导体器件的设计与制备从“杂质工程”跨越到“能带工程”，现在这些低维半导体材料已被广泛应用于光通信、移动通信、微波通信中而成为新的发展方向。1986年，德国科学家贝德诺尔茨（Johannes G.Bednorz）和瑞士科学家穆勒（Karl A.Müller）发现了新的金属氧化物超导材料——钡镧铜氧化物。次年，柏诺兹和缪勒因在高温超导的发现而荣获诺贝尔物理学奖，获奖速度之快，在诺奖历史上也是少见的。铜酸盐高温超导体的发现是自1911年荷兰物理学家昂尼斯（Heike K.Onnes）发现汞的低温超导性以来的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向，促使了一系列新型奇异超导体的发现。目前，超导成为世界材料科技研究的前沿领域，市场前景广阔。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家海姆、诺沃肖洛夫从石墨中分离出由碳原子构成的单层片状结构新材料——石墨烯。该材料只有一个碳原子厚度的二维碳纳米材料，具有超轻薄、非同寻常的导电性、导热性、高电子迁移率、超出钢铁数十倍的强度、极好的透光性和卷曲柔性等优异性能，市场应用前景广、价值高，被誉为21世纪“新材料之王”，引发了全球石墨烯研究热潮。目前，世界各国纷纷把石墨烯及其应用技术作为长期的战略发展方向，不远的将来，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，广泛应用在纳米电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等领域，可能会给半导体材料与器件带来一场新的革命。