半导体”为啥是“半”？

“半导体”为啥是“半”？ 原标：硅时代的半导体革新 本文刊登在《今日科苑》杂志2016年6月刊《科技随笔》栏目。 作者：何钧 作者简介：何钧，北大物理系毕业。主要在海外半导体工业界从事器件工艺和设计研发工作，领域包括集成电路、MEMS、化合物半导体（砷化镓、磷化铟、氮化镓和碳化硅）微波、光电和功率器件。现为国内某上市公司研发部总监。 字数：3613字 近年来，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代的所谓第三代半导体，或者说“宽禁带半导体”器件，吸引了很多政府和产业界的关注，在后摩尔定律时期投资界眼中日趋冷寂的半导体工业中，成为为数不多的热门领域之一。半导体的代际差别进步的依据和意义是什么？为什么要用到宽禁带材料？作者在这里从一个特殊的角度，对半导体材料特性做一个有趣的讨论，说明一个看上去最普通、最基本的概念，也未必就是那么简单。 在过去的半个世纪中，抗生素的发明应用之后，如果需要评价哪一个科技领域对人类社会生活面貌和内容产生了最大的影响，半导体材料器件技术是当之无愧的唯一。在模拟技术时代，它已经在诸多领域中独领风骚，成为发展最快，对整个工业和人类社会生活推动力最大的产业；随着材料器件技术的进步，到了数字半导体时代，它更是一骑绝尘，成为信息革命的基石。所有这些成就的基础，就是半导体材料的特性。而这些特性中最根本的，似乎已经包含在其名称之中。 ● 不得已的选择 受过中学教育的人都知道半导体材料（semiconductor）的定义，就是指常温下导电性能介于导体（conductor，主要是金属）与绝缘体（insulator）之间的材料。再进一步地理解，则是对晶体来说，这个导电性的差别是能带结构中的禁带宽度决定的。金属的禁带宽度是零，而绝缘体的禁带宽度很大。半导体则介于二者之间。锗、硅等都是这样的由晶体本身禁带宽度决定的半导体材料，被称为本征半导体。传统教科中半导体的定义，就是这样基于本征半导体的概念。 何以这个介于金属导体和绝缘体之间的导电性，就奠定了整个信息产业革命的基础？ 当人们回顾电子材料特性的时候，会看到：不高不低的天然导电性（对应适中的禁带宽度），在某些特定的应用领域，是一个决定性的优点。比如在光电领域，它可能对应一个特殊的波段（比如红外光）；或者在其他传感器领域，适中的导电性，对于某些环境条件的反应机制清晰简明，而且可能正好处于一个便于精确测量的区间。 然而对于半导体材料的最主要的电子领域应用来说，这种对应适中的禁带宽度不高不低的导电性，实际上是一个严重的缺点。在电子领域，人们寻求的材料导电性，不是适中，而是可控，尤其是即时可控。最理想的电子材料品质，是在需要它导电的时候，导电性像导体一样高；而在需要它绝缘的时候，要表现出最好的绝缘性。这样可以理想地实现“导通”与“关断”两个状态，而半导体不高不低的导电性，恰恰是技术人员最希望避免的。 当初人们之所以不得已选择半导体作为电子材料，实在是受当时材料科学和技术的局限，不知道如何控制使导体暂时成为绝缘体（现在也无能为力），也不知道如何让绝缘体受控成为很好的导体，因此只好选择了中间的半导体，通过施加电场等方式设法使它的导电性上下变化，实现“开通”与“关断”。由于本征半导体不大不小的导电性，在开通时导电性比不上金属，关断时又不像绝缘体那样不漏电，因而造成损耗偏大，状态区分不清。尤其是高温下漏电增大，无法正常完成功能。历史上，主要就是因为这个原因，锗材料很快被禁带宽度更大，常温下导电性更差，本征性质更偏向绝缘体的硅所替代。 为了让半导体在需要时具有尽量大的导电性，人们发明了掺杂（当然掺杂还有另一个目的就是形成整流特性）。这就产生了第二种制造导电性的方法。最初这个掺杂导电性只是依附于本征导电性，因为掺杂特性需要建立在本征材料质量成熟的基础之上，当时本征半导体的（锗、硅）材料工艺成熟较快，只有到了后来，才感觉有了掺杂这个办法，实际上窄带特征导致的本征导电性就基本上成为一个负面的累赘。导通时它对导电性的贡献可以忽略，关断时却可能是漏电的主要来源。实际上，在禁带宽度较窄的情况下，连掺杂本身也受到很大限制。 ● 绝缘体的逆袭 现在我们来看一下所谓第三代半导体的情况。 顺便说一下，所谓“第三代半导体”，基本上是我国科技界的词汇，主要是为了申请经费项目的时候，打出“一代材料，一代器件，一代装备”的响亮旗号。国际上一般只用“宽禁带”半导体这个说法。虽然是一个“土”名词，但是背后的概念却是有根据的：这里的代际划分，正是基于禁带宽度的递增（表1）。如果说第一代半导体材料是硅的话，那么在硅之前曾经得到短暂的关注，但是很快因为禁带宽度太窄而被抛弃的锗就可以被看作第0.5代半导体材料。 材料 锗 （0.5代） 硅 （1代） 砷化镓 （2代） 碳化硅 （3代） 金刚石 （4代） 禁带宽度（电子伏） 0.66 1.12 1.42 3.3 5.47             表1 典型半导体材料的禁带宽度 如果读者稍加留意就会想到，碳化硅还有金刚石，其实都是典型的优良绝缘体，怎么成了新一代“理想半导体”材料？事实上，3、4代半导体，正是因为禁带宽度大，导电性极低而成为最优良的绝缘体的代表。它们的导电性，完全来源于掺杂。 历史上，像碳化硅、金刚石这样的宽带半导体（也就是理想绝缘体），最初进入技术人员的视野，并不比硅晚多少。之所以人们没有像从锗转向硅那样，继续转向更偏向本征绝缘体的宽禁带材料，是因为在很长一段时间里，宽禁带材料的制备技术没有得到很快的提高。与此同时，硅的材料以及器件工艺却飞速发展，形成一整套成熟的产业技术，并进入了数字时代。在数字信息领域，只需要能够区分“导通”和“关断”两个状态。 由于出现了像CMOS这样损耗极低的巧妙器件设计，用很低的电压和功耗，就可以完成这两个状态的高速读写和存储功能。集成度的提高，使得器件功能不断增强，单位成本下降， 奠定了硅材料在数字信息产业中不可动摇的地位。 但是在数字信息领域之外，需要处理相当功率的应用领域，虽然也有很多相应的器件和工艺技术发明突破（包括LDMOS、快恢复二极管、IGBT等），硅的窄禁带本征半导体的特征，却一直成为困扰技术人员的麻烦。这是因为在这些领域中，“导通”和“关断”两个状态更加泾渭分明，硅材料居中的本征导电性成为突出的缺点。 众所周知，功率是电压和电流的乘积。P=UI。在需要处理的功率一定的情况下，人们总是希望提高电压，降低电流。 因为后者是功率损耗的主要来源。无论是输电线路，还是普通电器，以及无线通信，技术发展的方向都是提高工作电压，这与数字集成电路正好相反。由于本征导电性，硅在高压下漏电，等于就是无法理想实现“关断”状态；如果要努力接近实现这个状态，就要大大增加电阻，等于是牺牲实现理想“导通”状态的能力。理想的电子材料必须能够耐高压、不漏电，而这正是优良绝缘体的首要特征。 这也就是说，最理想的半导体材料，是（经过掺杂的）最好的绝缘体。它们的导电性纯粹由掺杂得来，尽管已经不再符合“正温度系数”这一传统半导体核心特征，但却是最理想的电子材料，能够在高压下实现接近理想的“导通”和“关断”状态，并且转换速度极快。而硅器件在高压下即使通过电导调制努力接近理想的“开通”和“关断”状态，也无法在高频下开关。后者实质上还是等同于不能在尽量短的时间范围内，完成理想的高压关断和无损导通状态之间的转换。 换句话说，在处理相当功率的应用领域，所谓半导体材料代际进步，就在于不断追逐更优良绝缘体的高频高压特性。顺便说一下，“第三代”和“宽禁带”半导体这两个名字之间的另一个微妙的区别，在于后者往往还包括氮化镓LED在照明领域的应用。在那里它的禁带宽度恰好填补白光短波段的空白，和其他窄禁带材料相比，并无代际发展意义。 ● 静悄悄的革新 需要这些理想半导体材料的领域，主要包括微波射频还有电力、电子，大约占据整个半导体器件市场的1/10。与砷化镓、磷化铟等所谓第二代半导体材料一样，宽禁带半导体材料丝毫没有动摇硅器件在集成电路领域的统治地位。这也是国际上并未普遍接受硅之后的2、3代半导体说法的原因。 宽带半导体的应用，可以使得电源的效率提高，体积变小，无线通信的功率密度提高，距离增大。目前基于这类材料的器件已经应用在军用微波射频装置以及电源、太阳能及风电、服务器电源、电动车充电机等领域。随着材料质量的提高以及成本的降低，其应用范围还会进一步扩展到电动车电控装置、白色家电、个人消费电子产品等领域。 然而这类主要是工业应用市场现有硅器件的替代过程，在专业领域之外，得到的社会关注度不高。只能说是一场静悄悄的技术革新。一个可能的例外，是高频氮化镓器件，可望在未来催生一个广受关注的医用植入装置的无线充电市场。 也许当所谓的宽禁带半导体得到广泛应用之后，人们会重新审视传统教科书中对于半导体材料的一些旧有的定义和习惯说法。历史上这样的例子并不罕见。比如金属导体中定义的电流方向，被后来发现和实际电子运动方向相反；另外磁感应强度与磁场强度这两个名词也不符合命名逻辑，容易造成误解。与此类似，半导体这个名词概念的演变，也反映了技术发展的历史曲折。