三五族半导体器件不能在集成电路广泛应用的原因

价格太昂贵。

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？

第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(C)为代表，我国从1995年开始涉足第三代半导体材料的研究。其中，碳化硅凭借其耐高压、耐高温、低能量损耗等特性被认为是5G通信晶片中最理想的衬底，氮化镓则凭借其高临界磁场、高电子迁移率的特点被认为是超高频器件的绝佳选择。需要说明的是，第三代半导体与第一代、第二代半导体之间并不是相互替代的关系。它们适用于不同的领域，应用范围有所交叉，但不是完全等同。第三代半导体有其擅长的领域，在特定的“舒适区”内性能确实是优于硅、锗等传统半导体材料，但在“舒适圈”之外，硅仍然占据王者地位

（1）元素半导体。元素半导体是指单一元素构成的半导体，其中对硅、硒的研究比较早。它是由相同元素组成的具有半导体特性的固体材料，容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化。目前， 只有硅、锗性能好，运用的比较广，硒在电子照明和光电领域中应用。硅在半导体工业中运用的多，这主要受到二氧化硅的影响，能够在器件制作上形成掩膜，能够提高半导体器件的稳定性，利于自动化工业生产。[2]

（2）无机合成物半导体。无机合成物主要是通过单一元素构成半导体材料，当然也有多种元素构成的半导体材料，主要的半导体性质有I族与V、VI、VII族；II族与IV、V、VI、VII族；III族与V、VI族；IV族与IV、VI族V族与VI族；VI族与VI族的结合化合物，但受到元素的特性和制作方式的影响，不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求。这一半导体主要运用到高速器件中，InP制造的晶体管的速度比其他材料都高，主要运用到光电集成电路、抗核辐射器件中。 对于导电率高的材料，主要用于LED等方面。[2]

（3）有机合成物半导体。有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物，把有机化合物和碳键垂直，叠加的方式能够形成导带，通过化学的添加，能够让其进入到能带，这样可以发生电导率，从而形成有机化合物半导体。这一半导体和以往的半导体相比，具有成本低、溶解性好、材料轻加工容易的特点。可以通过控制分子的方式来控制导电性能，应用的范围比较广，主要用于有机薄膜、有机照明等方面。[2]

（4）非晶态半导体。它又被叫做无定形半导体或玻璃半导体，属于半导电性的一类材料。非晶半导体和其他非晶材料一样，都是短程有序、长程无序结构。它主要是通过改变原子相对位置，改变原有的周期性排列，形成非晶硅。晶态和非晶态主要区别于原子排列是否具有长程序。非晶态半导体的性能控制难，随着技术的发明，非晶态半导体开始使用。这一制作工序简单，主要用于工程类，在光吸收方面有很好的效果，主要运用到太阳能电池和液晶显示屏中。[2]

（5）本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。空穴导电并不是实际运动，而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。[5] 它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子-空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。[6]

---