与前三代半导体相比，第四代半导体不仅在材料种类上实现突破，更在性能上实现质的飞跃，在诸多领域展现出巨大的应用潜力。文章概述了第四代半导体的定义、分类、核心优势、应用领域与前景，并指出其面临的挑战。
在人类探索科技边界的征途中，半导体技术始终扮演着至关重要的角色。从最初的硅基半导体引领的电子信息时代，到后来的碳化硅、氮化镓等第三代半导体的崛起，每一次技术的飞跃都深刻地改变了人类的生活方式，推动了社会经济的快速发展。而今，随着科技的日新月异，我们正站在一个新的历史起点上，迎接着第四代半导体的到来。第四代半导体，这一概念虽尚未被大众所熟知，但却已在学术界和产业界引起了广泛的关注和热议。与前三代半导体相比，第四代半导体不仅在材料种类上实现突破，更在性能上实现质的飞跃，以独特的物理和化学性质，为解决当前半导体技术面临的诸多挑战提供全新的思路和解决方案。
简而言之，第四代半导体是指那些相较于前三代半导体(主要是硅、砷化镓、碳化硅等)在材料特性、性能及应用领域上具有显著优势的新型半导体材料(如图1和表1所示)，主要包括超宽禁带半导体[1-2]和超窄禁带半导体[3]两大类。第四代半导体为电子器件的设计与应用，尤其是在极端环境适应性、能效提升及新型电子器件的开发等方面开辟了全新的可能性。图1 从第一代到第四代半导体
表1 第一、二、三、四代半导体对比
• 超宽禁带半导体
超宽禁带半导体是第四代半导体中的一大类重要材料，以金刚石和氧化镓为代表。这类材料具有极宽的禁带宽度，电子需要更高的能量才能从价带跃迁到导带，从而赋予其一系列优异的性能特点。首先，超宽禁带半导体能够在更高的温度下保持稳定的半导体特性，在极端环境条件下(如高温电子器件、航空航天电子设备等)独具应用特色。其次，由于电子跃迁难度大，超宽禁带半导体在能量转换过程中损失较小。此外，它们还具备快速的响应速度和更长的使用寿命。• 超窄禁带半导体
与超宽禁带半导体相对应的是超窄禁带半导体，以锑化物(如锑化镓、锑化铟)为代表。这类材料的禁带宽度较窄，电子跃迁所需的能量较低，易于激发且迁移率高。因此，超窄禁带半导体能够高效地吸收和发射光子，可实现光信号与电信号的快速转换，为光电探测、光通信等领域提供强有力的技术支持。同时，超窄禁带半导体还具备良好的热稳定性和化学稳定性，有助于器件的长期稳定运行。作为半导体技术发展的最新阶段，第四代半导体是一个多元化、创新性的材料体系，其定义并非一成不变，而是随着科研进展和产业应用的不断深入而逐渐清晰。近年来快速发展起来的二维材料(如石墨烯、六方氧化硼、二硫化钼、黑磷等)[4]、拓扑绝缘体、量子点材料以及其他新兴材料在广义上都可以归属于第四代半导体大类。
第四代半导体相较于传统半导体材料，在性能上实现了显著提升。首先，超宽禁带半导体可以承受更高的工作温度和更强的电场强度，从而显著提升电子器件的耐热性和耐压性。此外，它还具有更高的载流子迁移率和饱和速度，使得电子器件在高频、高速工作条件下表现出色。在能效方面，超宽禁带半导体在能量转换过程中损失较小，因此可实现更高的能效转换率，减少能源浪费。这对于电力电子、能源存储系统等领域具有重要意义，将极大地促进能源产业的绿色化和可持续发展。超窄禁带半导体则可以高效地吸收和发射光子，为高性能光电器件提供可行的解决方案。第四代半导体材料还具有高度的灵活性和创新性。随着纳米技术和微加工技术的不断发展，这些材料可以被精确地控制和加工成各种形状和尺寸，从而实现电子器件的微型化、柔性化和多功能化。此外，值得一提的是第四代半导体材料在环境友好性方面的优势。许多传统半导体材料在生产和处理过程中会对环境造成一定的污染和危害，而第四代半导体材料则具有更好的环保性能和可持续性。例如，金刚石和氧化镓等新型氧化物半导体目前均可以通过化学合成等方法进行制备，减少了对自然资源的依赖和破坏。随着人类对环境保护意识的不断提高和环保法规的日益严格，第四代半导体材料在环保方面的优势也将越来越受到重视和关注。
第四代半导体以其独特的性能和广泛的应用前景，正逐步引领科技进步和产业发展。在电子通信领域，第四代半导体以其卓越的性能和能效比优势，成为推动行业进步的重要力量。超宽禁带半导体(如金刚石和氧化镓)在高频通信、卫星通信等高速电子应用中独具优势[5]。第四代半导体可显著提升电子器件的传输速度和信号处理能力，为构建更加高效、稳定的通信网络提供技术保障。同时，超窄禁带半导体如锑化物在光电探测和红外传感方面的应用，也为光通信、光纤传感等领域带来新的发展机遇。新能源领域是第四代半导体应用的另一大重要方向。随着全球对可再生能源需求的不断增长，电力电子器件和能源存储系统的发展成为了关键。第四代半导体以其高能效比和耐高温特性，在电力电子转换器、智能电网、电动汽车等领域占有重要地位。第四代半导体可大幅度提升能源转换效率，降低能源损失，有望促成可再生能源的全面应用。此外，基于第四代半导体的新型太阳能电池和光电催化材料也在不断探索中，有望为太阳能利用和氢能生产等领域带来新的突破。
随着物联网和可穿戴技术的快速发展，智能设备和柔性电子产品的市场需求日益增长。基于二维材料的柔性电子器件为智能手环、智能手表、可植入医疗设备等产品引入更加舒适、便捷的使用体验。同时，这些材料还具备优异的生物相容性和传感性能，为医疗监测、健康管理等领域的创新应用奠定了基础。量子计算是信息技术领域的前沿热点之一，第四代半导体材料中的拓扑绝缘体和量子点等材料在量子计算中具有重要的应用前景。拓扑绝缘体的表面态电子具有独特的传输特性，可抵抗散射和干扰，实现量子比特的稳定存储和传输。量子点材料则以其纳米尺度和量子效应为特点，为量子计算和量子信息处理提供新的思路和方法。
综上，第四代半导体作为半导体技术领域的最新前沿，以其独特的材料特性和卓越的性能优势，在电子通信、新能源、智能穿戴与柔性电子、量子计算等多个领域发挥重要作用，并加快相关产业的转型升级和高质量发展。然而，其研发与应用过程中仍面临诸多技术挑战。首先，材料制备技术尚不成熟。许多第四代半导体的高质量单晶材料的制备难度较大，成本较高，且难以实现大规模生产，限制了其在商业化应用中的推广。其次，器件设计与制造工艺复杂。由于第四代半导体材料的物理和化学性质与传统半导体材料存在显著差异，需要开发新的器件结构和制造工艺来充分发挥其性能优势。展望未来，随着科技的不断进步和全球对可持续发展需求的日益增长，第四代半导体将在更多领域发挥重要作用，为人类社会带来更加高效、智能、环保的生活方式。
[1] TSAO J Y, CHOWDHURY S, HOLLIS M A, et al. Ultrawidebandgap semiconductors: research opportunities and challenges [J]. Advanced Electronic Materials, 2018, 4(1): 1600501.[2] WONG M H, BIERWAGEN O, KAPLAR R J, et al. Ultrawidebandgap semiconductors: an overview [J]. Journal of Materials Research, 2021, 36(23): 4601-4615.[3] CHU J, SHER A. Physics and properties of narrow gap semiconductors [M]. New York: Springer, 2008.[4] AN S, PARK H J, KIM M. Recent advances in single crystal narrow band-gap semiconductor nanomembranes and their flexible optoelectronic device applications: Ge, GeSn, InGaAs, and 2D materials [J]. Journal of Materials Chemistry C, 2023, 11(7): 2430-2448.[5] 朱宏伟. 6G时代的新材料[J]. 自然杂志, 2023, 45(2): 109-112.
DOI：10.3969/j.issn.0253-9608.2024.05.015
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