新一代半导体即将问世！来自华丽的量子物理学

LED灯和显示器，以及高质量的太阳能电池板诞生于半导体的一场革命，它能有效地将能量转换为光，反之亦然。现在，下一代半导体材料即将问世。在一项新的研究中，研究人员发现，在他们改造照明技术和光电技术的潜力背后，隐藏着古怪的物理现象。将这些新兴所谓“混合半导体”的量子特性与其已有的进行比较，就像是将莫斯科芭蕾舞团比作千斤短跳。由乔治亚理工学院的研究人员领导的一个物理化学家团队称，由量子粒子组成的旋转团在这些新兴材料中波动，可以轻松地创造出非常理想的光电特性，这些相同的性质在现有半导体中是不现实的。

博科园-科学科普：在这些新材料中移动的粒子也参与了材料本身的量子运动，类似于舞蹈者吸引地板与他们一起跳舞。研究人员能够测量舞蹈引起的材料的模式，并将其与新兴材料的量子特性和引入材料的能量联系起来。这些见解可以帮助工程师有效地研究新型半导体。这种新兴材料能够容纳类似于舞者各种古怪的量子粒子运动，这与它在分子水平上的不寻常的灵活性直接相关，就像加入舞蹈的舞池一样。相比之下，现有半导体具有刚性的、直线排列的分子结构，这使得跳舞变成了量子粒子。研究人员检测的混合半导体被称为卤化物有机-无机钙钛矿(HOIP)，这将在底部与“混合”半导体名称一起详细解释。

“混合”半导体是将半导体中常见晶体晶格与一层具有创新d性的材料结合在一起。提升机不仅具有独特的光亮度和节能性能，而且易于生产和应用。乔治亚理工大学化学与生物化学学院的教授卡洛斯·席尔瓦说：一个令人信服的优势是，提升机是在低温下制造，并在溶液中进行处理。生产它们所需的能源要少得多，而且可以大批量生产。席尔瓦与乔治亚理工学院和意大利理工学院的Ajay Ram Srimath Kandada共同领导了这项研究。大多数半导体的小批量生产都需要很高温度，而且它们的表面很硬，但可以在起重机上涂上油漆来生产led、激光器，甚至是窗户玻璃，这些玻璃可以发出从海蓝宝石到紫红色的任何颜色的光。

吊装照明可能只需要很少的能源，而太阳能电池板制造商可以提高光电效率，降低生产成本。由佐治亚理工学院领导的研究小组包括来自比利时蒙斯大学和意大利理工学院研究人员。研究结果于2019年1月14日发表在《自然材料》上。这项研究由美国国家科学基金会、欧盟地平线2020、加拿大自然科学和工程研究理事会、丰德魁北克的pour la Recherche和比利时联邦科学政策办公室资助。光电器件中的半导体可以把光转换成电，也可以把电转换成光。研究人员专注于与后者相关的过程：光发射。让一种材料发光的诀窍，从广义上说，就是把能量应用到材料中的电子上，这样它们就能从围绕原子的轨道上获得量子跃迁，然后当它们跳回到空出的轨道上时，就能以光的形式释放出这种能量。

已建立的半导体可以在严格限制电子运动范围的材料区域捕获电子，然后将能量应用到这些区域，使电子一致地进行量子跃迁，在它们一致地跳下来时发出有用的光。这些是量子阱，材料的二维部分限制了这些量子特性，从而产生了这些特殊的光发射特性。有一种可能更具吸引力的发光方式，这也是新型混合半导体的核心优势。一个电子带负电荷，它被能量激发后空出的轨道叫做电子空穴。电子和空穴可以相互旋转形成一种假想粒子，或准粒子，称为激子。激子的正负吸引被称为结合能，这是一种非常高能的现象，这使得激子非常适合发光。当电子和空穴重新结合时，空穴释放出结合能来发光。但通常，激子很难在半导体中保持。

传统半导体中的激子特性只有在极冷温度下才稳定，但在提升过程中，激子性质在室温下非常稳定。激子从原子中释放出来并在物质中移动。此外，HOIP中的激子可以围绕其他激子旋转，形成准粒子，即双激子。还有更多。激子也会围绕材料晶格中的原子旋转。就像电子和电子空穴产生激子一样，激子绕原子核旋转会产生另一种准粒子，叫做极化子。所有这些作用都会导致激子向极化子转变。我们甚至可以说一些激子呈现出一种“极化子”的细微差别。使所有这些动力学更加复杂的是，提升装置充满了正离子和负离子。这些量子舞蹈的华丽对材料本身有着至关重要的影响。

不同寻常的是，材料中的原子与电子、激子、双激子和极化子共舞，在材料中产生了重复的纳米级凹痕，这些凹痕可以作为波型观察到，随着能量的增加，这些凹痕会发生位移和通量。在基态下，这些波型会以某种方式呈现，但随着能量的增加，激子的表现会有所不同。这改变了波浪模式，这就是我们所测量的。这项研究的关键观察结果是，波型随激子类型(激子、双激子、极化子/非极化子)的不同而变化。这些凹痕也会抓住激子，减缓它们在材料中的移动速度，所有这些华丽的动力学可能会影响光发射的质量。

该材料为卤化物有机-无机钙钛矿，是由两个无机晶格层构成的夹层，中间夹有一些有机材料，形成有机-无机杂化材料，量子作用发生在晶格中。中间的有机层就像一层橡皮筋，使水晶格子变成一个摇摆但稳定的舞池。此外，提升机与许多非共价键连接在一起，使材料柔软。晶体的单个单位以一种叫做钙钛矿形式存在，它是一种非常均匀的钻石形状，中间是一种金属，而像氯或碘这样的卤素在点上，因此被称为“卤化物”，在这项研究中，研究人员使用了含有公式(PEA)2PbI4的二维模型。

博科园-科学科普｜研究/来自：乔治亚理工学院

Ben Brumfield, Georgia Institute of Technology

参考期刊文献:《Nature Materials》

论文DOI: 10.1038/s41563-018-0262-7

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不知道大家最近有没有发现，无论是国内还是国外，在谈到半导体行业的时候，总会冒出一个让人觉得新鲜的名词：第三代半导体。特别是最近我国一些论坛或者峰会上，都说到要在第三代半导体上大力发展，并表示第三代半导体已经进入快速增长期，我们要力争领先地位等等。

这样看起来似乎和标题有点不符：明明第三代半导体都这么热门了，怎么还是冷知识？其实也不难理解，对于普通用户来说，只要产品好用就行，至于几代半导体应该是不在意的。而且你要真问到什么是第三代半导体？或者问不同代半导体的区别是啥？笔者估计大多数人都是懵逼状态，所以说它是冷知识也没错。那么现在我们就来聊聊这个话题，看看全行业都在吹的第三代半导体到底是神马玩意儿！

第一代半导体，让计算机业彻底繁荣

要说到半导体这个名词的出现，那的确是比较久远了。如果追根溯源的话，得说到上世纪的40年代，因为在1940年全世界第一颗电子晶体管诞生了，这也就拉开了半导体时代的大幕。最早大家用于半导体的材料是锗（Ge），如果查看一下半导体的历史，就会发现在上世纪50年代以及60年代，大家的半导体设备基本都是用锗这种材料。所以说锗应该算是半导体材料的老祖先了，这也是我们口中说的第一代半导体。

没错，说到这里，大家应该恍然大悟了：原来不同代半导体的区别就是材料！是滴，但是第一代半导体的材料并不是只有锗，因为大家用锗来打造电子晶体管的时候发现，这货发热有点夸张，还很不好控制，容易引起很多问题，设备出故障是一方面，但是热失控很容易引起重大事故，所以大家开始发展另一种半导体材料——矽，也就是我们说的硅。

知道为啥有一个叫硅谷的地方能被众人看成是科技领域的圣地？现在大家应该明白了，因为在第一代半导体蓬勃发展的时候，矽就是成为了半导体的主要材料，而因为半导体发展而繁荣起来的圣塔克拉拉谷，也就被称为矽谷或者说硅谷了，毕竟硅谷最早是研究和生产以硅为基础的半导体芯片的地方。

一直到上世纪70年代，锗和矽都是半导体的主要材料。不过矽并非万能的材料，毕竟它有自己的物理极限，而且效率和耗电等方面，它已经慢慢无法满足一些科技发展的需求。而这个时候，是化学让半导体时代继续发展，化合物半导体的出现让半导体材料进入了第二代。

第二代半导体，化合物时代来临

之前说过了，当计算机业和电子业发展到一个地步的时候，矽或者说硅的问题就显现出来了，物理极限的问题我们现在都知道，厂商一直追求的能耗比其实已经说明了问题，所以大家都在寻找矽之外的材料来继续发展半导体行业。这个时候化合物半导体终于进入了历史的舞台。

要说化合物半导体，还得感谢赫赫有名的贝尔实验室（不是那个野外求生的贝尔……），在上世纪70年代发明了化合物半导体。从此以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为主的化合物半导体一跃成为半导体市场的主角。这两货的优点也很明显，拥有超高的电子迁移率，外加上它们兼备高频、低杂音、高效率及低耗电等特性，简直就是矽的最佳替代者，所以这两种材料一下成为半导体市场的主角。

整个半导体产业因而进入了以这两种材料为主的第二代半导体时代，直到现在第二代半导体材料也大量用于各种半导体器材设备中。由于这两货的功能特点，直接为以后的微波射频通信半导体发展打下了基础，所以我们现在生活的时代得感谢这两种半导体材料，因为大量的射频芯片，都是用这两种材料打造的。

当然第二代半导体材料的问世，并不代表第一代半导体就彻底被淘汰，不同半导体材料现在都可以活跃在不同的领域中。毕竟一些设备和芯片第一代半导体就能搞定，成本还低，不需要第二代半导体或者下面要说的第三代半导体。所以从现在看来，每代半导体材料的发展，并不是取代上一代半导体材料，而是让科技有更好以及更高端的发展。

第三代半导体，催化5G应用加速发展

第三代半导体其实和第二代半导体一样，都属于化合物半导体材料，而且这个材料我们还并不陌生，估计很多人都买过相应材料所制造的产品。比如说充电器，现在很多充电器用的材料都是GaN，也就是氮化镓，而这就是第三代半导体的主流材料。

第三代半导体主要是两种材料，分别是氮化镓（GaN）与碳化矽（SiC）。这两种材料的最大的特点就是宽能隙，而能隙越宽，就代表着其耐高频、高压、高温、高功率及高电流的性能也就越强，同时还具备高能源转换效率与低能耗的特性。这样的特点性能，恰好符合目前IoT设备连接、5G场景及电动车等最新应用的需求。

由于目前各国都在研发5G应用、loT智能设备以及电动车等技术和产品，所以这种宽能隙的材料自然就成为大家发展的重心。行业有一句老话叫“得碳化矽基板者得天下”，由此可见第三代半导体的研发，对于全球科技产业有多么重要。当然之前我们就说过了，三代半导体并非彼此淘汰取代的作用，而是每代半导体材料都在往更先进更高科技的应用领域发展，这不代表老的半导体材料就彻底无用。

比如说第一代半导体的矽，多用在各种处理器、内存芯片、逻辑芯片、微电子晶体管上，我们也比较常见到；第二代半导体的砷化镓则经常用在射频芯片上。至于第三代半导体的材料，主要会采用在高频率的射频元器件以及高功率的半导体元器件上，应用范围则比较广，包括5G、IoT、环保、电动车、卫星通讯及军事等领域。特别是5G和电动汽车，被视为第三代半导体的最大发展动力。

5G和高功率设备，离不开第三代半导体

现在大家应该明白了所谓的第三代半导体是什么意思，粗略地说就是用氮化镓和碳化矽这两种材料打造的半导体设备，就可以算是第三代半导体。当然这其中化合物的发展肯定不止是这两种，但这两种可以算是基础和主流。

那既然说5G、loT设备、电动车都需要第三代半导体，这里就可以举一些具体的例子。比如说5G基站，现在我国采用的Sub-6以及海外已经开始商用的毫米波，它们都需要海量的基础设施，这里就要用到大量的天线和射频元件，而以GaN为主要材料的半导体设备，就能发挥高频、高功率、大频宽、低功耗与小尺寸等优势。

去年全球GaN射频元件的市场为8.91 亿美元，而随着5G在全球的普及，这一市场在2026年将达到24亿美元。目前射频元件部分，很多还是采用的第二代半导体砷化镓以及金属氧化半导体为主材料，而GaN已经成为它们的主要竞争对手。现在GaN射频元件的主要材料是碳化矽基氮化镓GaN-on-SiC，NXP恩智浦半导体已经在去年开设了第一个6英寸的GaN-on-SiC晶圆厂；而过去的全球砷化镓代工大厂，也纷纷开始扩展GaN-on-SiC的产能，希望在未来的竞争中不落下风。

第三代半导体材料的另一个好处，就是非常适合拿来作为功率半导体元件，我们之前已经介绍过它们的特性，耐高温高压、转化率高，所以我们现在看到很多充电器都是用的GaN材料。目前GaN快充已然成为推动GaN功率元件成长的动力，很多手机厂商都已经配备GaN的快充充电器，比如说国内的OPPO就是如此。像小米以及其他外设厂商，也推出了多款GaN材料的充电器。

至于另一种SiC功率元件，目前市场比GaN还大，它和GaN特点相似，两者也经常结合起来为作为不同半导体设备的材料，比如之前介绍的射频元器件。不过SiC自己来做功率元件应用也是很广泛的，比如说作为有61%的SiC功率元件，都用于新能源汽车，另外像太阳能发电站以及各个充电站，也会用到SiC的功率元件。当然综合来看，电动车未来是推动SiC半导体发展的最大动力。

写在最后

关于第三代半导体，我们基本上就说到这里，虽然很粗浅，但是足以让大家了解到第三代半导体的意义，以及他们的特点和现在应用的范围。说实话，半导体虽然经历了三代，但是就和我们说的一样，这三代半导体是基于科技的发展而诞生，而不是说哪一代半导体是从上一代半导体的材料发展而来，所以他们没有互相淘汰的关系，虽然有竞争，但更像是处于平行状态，各自在各自领域发展。

目前第三代半导体发展最快还是中国、美国以及欧盟，特别是我国的科技企业，很早就开始涉足第三代半导体的研发，像比亚迪这样的公司，甚至已经有自己第三代半导体的晶圆厂；包括华为等公司，也在第三代半导体上积极投资。在去年我国第三代半导体的整体产值超过7100 亿人民币，在世界上的确处于领先地位。

对于我国来说，第三代半导体的发展的确相当关键，这不仅仅是因为未来的产业发展和市场有这么大的需求，同时如果在第三代半导体的研发上占据领先位置，也有利于解决我国在半导体上被海外卡脖子的窘境，真正站上半导体强国的位置！

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