镓一一第二第三代“得力干将”、第四代“亮眼新星”的半导体材料

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　　半导体是现代工业的核心，是国民经济不可或缺的重要组成部分。半导体被誉为“世界上第4大重要发明”，仅排于印刷机、电力、盘尼西林之后，重要性不言而喻。

迄今为止，半导体材料可分为四代：

（1）第一代以单质锗和单质硅为代表的锗基、硅基半导体，又称为“元素半导体”。

第一代的优点是取代笨重的电子管，导致集成电路的可能性。至今，硅基材料仍占全球销售半导体产品的95％以上。

第一代半导带动了以集成电路为核心的微电子产业快速发展，广泛应用于消费电子、通信、光伏、军事、航空航天等领域。

（2）第二代以砷化镓、磷化铟、氮化镓为代表的化合物半导体。

第二代的优点是较好的电子迁移率，具有直接带隙等特性。

第二代半导体奠定了通信产业的基础，如毫米波器件、发光器件、卫星通讯、GPS导航等。

（3）第三代以碳化硅、氮化镓为代表的半导体，又称“宽禁带半导体”。

第三代的优点是更优的电子迁移率、带隙、击穿电压、高频、高温特性。主要应用领域是功率器件和射频器件。

（4）第四代以氧化镓等为代表，包括“超宽禁带半导体”和“超窄禁带半导体”，前者有氧化镓、金刚石、氮化铝，后者有锑化镓、锑化铟。而氧化镓是最有前途、最能大放异彩的新星材料。

　　第四代半导体的诞生是响应时代的呼唤。当今世界，人工智能和量子计算吹响了进军的号角，硬件上廹切需要算力强劲、体积小、功耗低、性能强的半导体材料。可以说，第四代半导体就是在第四次工业革命前夜的大时代背景下应运而生，如春笋之因甘露而发，如葵花之随阳光而转。

第四代半导体的出现是近几年的事情，离大规模应用还很遥远。近来特别亮眼主要归功于我国科研人员的辛勤劳动，得益于从2022年底至今年初，我国在该领域的快速进步。西安邮电大学陈海峰团队成功地在8吋硅片上制备出高质量的氧化镓外延片。2月28日，中国电科46所成功制备出我国首颗6英吋氧化镓单晶，达到国际最高水平。2月27日，中科大龙世兵课题组联合中国科学院苏州纳米所，首次研制出氧化镓垂直槽柵场效应晶体管。

氧化镓拥有超宽的带隙、超高临界击穿场强、超强透明导电性等物理性能，导通特性约为第三代碳化硅的10倍，理论击穿场强约为碳化硅3倍，损耗理论上是硅的1／3000、碳化硅的1／6、氮化镓的1／3。具有耐高温、耐高压、大功率、抗辐射、低成本、化学和热稳定性好等特性。在未来10年，氧化镓半导体有可能成为有竞争力的电子电力器件，有望完全替代碳化硅、氮化镓市场，实现半导体领域的“弯道超车”。2022年，我国将氧化镓材料列入“十四五重点研发计划”，氧化镓半导体的腾飞，佳期可待。

　　不难看出，作为半导体材料，镓除了缺席第一代之外，其余三代都参与其中，并发挥着中流砥柱的作用。

也不难看出，从第二代到第四代的砷化镓、氮化镓、氧化镓、锑化镓都是镓的化合物。其中第四代的氧化镓更是出类拔萃的姣姣者。据介绍，氧化镓的性能比单质硅、碳化硅和其他材料都具优越性，而且发热耗电少，在800度高温下仍保持优良工作效率。更可喜的是，中国氧化镓技术完全是自主知识产权；中国的镓资源丰富、产量全球第一，近些年来占全球镓产量90％。在以美国为首的西方世界全面疯狂打压中国半导体产业的当下，我国在氧化镓领域取得突破，无疑具有重大的現实和深远意义。

　　镓（Gallium），元素符号Ga，原子序数31，原子量69.72，第四周期ⅢA族元素，灰蓝色或银白色金属。

镓熔点很低，29.76度，沸点很高，2403度，中间相隔近2400度，也就是说，只要温度高于30度，镓基本上都呈液态，这就是用作高温温度计的原因。 镓还有点怪脾气，温度低于30度也不会马上变成固体，即使低至0度也不固化，这叫纯液态镓的“过冷”现象。液态镓变成固体时，体积约增大3.2％，这叫“热缩冷胀”，与水一冰相似。

镓在干燥空气中较稳定，会缓慢地氧化，形成氧化保护膜，在潮湿空气中失去金属光泽，加热至500度时着火。

室温下，镓跟水反应慢，跟沸水反应激烈生成氢氧化镓放出氢气。加热时溶于无机酸和苛性碱。能与卤素、硫、磷、砷、锑等反应。高温时能与多数非金属反应。

镓与锌、铝相似，都是两性金属，既溶于酸又溶于碱。能被冷浓盐酸浸蚀，对热硝酸显钝性。

　　镓在地壳中含量约0.0015％，是典型的稀有分散金属，不单独形成矿物。通常以类质同象形式进入其它矿产中，简单地说，就是在性质类似的矿物晶格中抢占位置，强入洞房，彼此共生。常见共生的有铝土矿、铅锌矿，前者含镓0.002～0.02％，后者含镓0.01～0.02％。我国的镓大部分从冶炼铝的副产品中回收。

镓的利用和开发还处于比较原始的阶段，产量也不高，全球镓年产量才几百吨，大部分都产自中国。目前的镓，80％以上都用于半导体材料上，其它应用不广。

合金，镓与铝、锡、锌、铜等元素形成合金，具有优良的机械性能和耐腐蚀性能，用于航空航天、汽车、电子和建筑领域。

镓可制造高温温度计和高温压力计，用作有机反应中二酯化催化剂。

镓在光电材料、磁性材料、照明技术、太阳能电池、石油化工、医疗器械等方面占有一席之地。

　　镓是古灵精怪的调皮鬼。

* “我能变魔术，合上手掌前我是固体，张开手掌时我变成液体”。镓的熔点29.76度，人体温37度，足以熔化镓。在炎热的夏天和热水中，镓也很难硬气起来。

* “金属大哥，千万不要和我握手拥抱，否则，我让你皮开肉绽、面目全非”。镓熔点低，液态镓很容易与一些金属，如铜、铝、锌、铁、银、不锈钢生成合金，金属被腐蚀毁容了，连坚硬的钢也不放过，人称“破坏王”。这点性质与低熔点、易生成汞齐的水银相似。

* “氢氟酸有什么了不起，你能给玻璃写字，我也能给玻璃绣花”。镓能浸蚀玻璃，储存镓不能用玻璃瓶，也不能用钢瓶、金属瓶。一般用塑料瓶，还不能装满，要不然，天气一冷，瓶就撑爆。

* “水银体温计靠边站吧，我不像你那样阴毒”。有一种镓铟锡合金，熔点-19度，室温下像水银一样流动，可制造“无水银体温计”，避免水银的潜在风险。

　　作为一个化学元素的汉字，国人喜欢“镁”字，钟情于用她命名自己宝贝的儿女，如张纶镁；同样，国人也喜欢“镓”字，也钟情于用她命名自己的亲骨肉，如袁镓诗。

也许，国人一看见“镁”字，就有一种美的享受；一看见“镓”字，就有一种家的亲切。

镓一一闪烁着金属光泽的家。

镓一一亲切的家。

2023，04，Aurora（科50）