三五族半导体器件不能在集成电路广泛应用的原因

首先，你所说的三五族(III-V族)半导体器件性能很高，这里的“性能”并不是集成电路的器件所需要的性能。

III-V族半导体器件性能高，主要还是说III-V族半导体材料用做发光器件、功率器件或微波射频器件时，发光效率高，反向耐压高或导通电阻低吧？而集成电路不需要发光，所以光效高用不上；集成电路比如CPU工作电压才1V，III-V族器件动辄几百伏上千伏的耐压不需要；而集成电路的基本单元是NMOS和PMOS构成的CMOS电路，在工作的时候只有电位改变，器件根本不导通，所以导通电阻低也没啥用。综上，III-V族半导体材料用到集成电路里和硅相比没啥特别优势吧？

其次，硅可以说是神赐予人类的材料，有非常多优良性质，也只有硅单晶的这些性质，才能够使大规模集成电路成为可能。

1.硅可使用熔融法拉单晶，单晶尺寸很容易做大，并且制备的硅晶圆纯度极高，位错密度极低。

硅单晶纯度99.999999999%(11个9，11N)，GaN单晶纯度7N

硅单晶穿线位错是个位数量级，甚至有无位错硅单晶，而GaN单晶穿线位错密度在每平方厘米百万量级

硅可以做到12寸晶圆，GaN单晶只有4寸

并且因为GaN无法使用熔融法拉单晶，制造成本很高，6寸硅晶圆150元/片，2寸氮化镓晶圆1万元/片

2.硅可以通过热氧化制出厚度极均匀，密度极高的二氧化硅绝缘膜。

集成电路的基元是MOSFET，这种器件的栅极控制器件通断，金属和半导体之间需要一层氧化物形成特殊的能带结构，以便于用栅极电压控制源漏电路的通断

而集成电路规模越大，器件尺寸越小，需要的栅极氧化物也越薄，这个时候栅极氧化物的均匀性就非常重要

通过控制硅晶圆表面温度均匀性，可以在12寸硅晶圆表面通过高温热氧化形成厚度均匀性在纳米量级的二氧化硅层，使大规模集成电路成为可能。可以做一个类比，如果硅晶圆面积和地球表面积一样大，那么就相当于在地球表面形成一层厚度均匀性在1m以内的土墙，这样一想是不是觉得蛮不可思议的

当然现在有了原子层沉积技术，对于III-V族氮化物形成均匀膜层也并非不可能，但是膜层密度和制造成本相较硅还是高很多

3.在地球上硅储量及其丰富，价格及其便宜。

地壳中的元素含量依次是氧，硅，铝。。。

硅元素含量排第二位，比如沙子基本就是二氧化硅，而硅晶圆的原材料其实就是沙子

Ga这种元素就少多了，而且开采很不容易，一般都是铝矿的伴生矿，现在1kg大概3000元的样子，想想1kg沙子多少钱，就知道如果CPU变成GaN做的你还有没有可能用得起了。。

最后，我要说明一下，虽然有上述问题，让III-V族材料难以广泛应用于大规模集成电路，但是并不是说III-V族半导体材料就完全没机会。

III-V族半导体材料可以制备高性能光电、功率和微波射频器件，控制这些器件的电路如果用硅集成电路来做，需要用bonding做电链接，难以小型化，还会有其他一些问题

如果能直接使用III-V族半导体材料做逻辑电路，哪怕关键尺寸(CD)不像硅那么小(就是平时说的14nm制程，GaN一般在1μm，也就是说同样面积可以放100个硅MOS，只能放1个GaN器件)，成本高一点，也不是不能接受，所以一直有人在往这个方向努力

这不是2021年热乎的nature子刊文章出来了，港科大研究团队在硅基氮化镓上系统验证了小规模GaN逻辑电路[1]

2021年III-V族半导体逻辑电路才刚完成验证，距离应用推广应该还有几年，我是很期待这个技术方向以后的发展的，大家一起拭目以待吧，说不定技术的发展以后就推翻了III-V族半导体材料不能应用于大规模集成电路的这个判断了呢？

碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）。

1、碳化硅（SiC）

碳化硅，化学式SiC，俗称金刚砂，宝石名称钻髓，为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。

2、氮化镓（GaN）

氮化镓是氮和镓的化合物，是一种III族和V族的直接能隙的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。

此化合物结构类似纤锌矿，硬度很高。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电元件中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光的条件下，产生紫光激光。

3、氧化锌（ZnO）

氧化锌是锌的氧化物，难溶于水，可溶于酸和强碱。它是白色固体，故又称锌白。它能通过燃烧锌或焙烧闪锌矿取得。在自然中，氧化锌是矿物红锌矿的主要成分。人造氧化锌有两种制造方法：由纯锌氧化或烘烧锌矿石而成。

4、金刚石

金刚石（diamond），俗称“金刚钻”，它是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，化学式为C，也是常见的钻石的原身。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。石墨可以在高温、高压下形成人造金刚石。

金刚石的用途非常广泛，例如：工艺品、工业中的切割工具，也是一种贵重宝石。

5、氮化铝（AlN）

氮化铝是铝的氮化物。纤锌矿状态的氮化铝是一种宽带隙的半导体材料。故也是可应用于深紫外线光电子学的半导体物料。