半导体，与计算机、原子能、激光科技并称为当代科技文明标志性四大领域。半导体科技经过约70年的发展，科学理论不断完善，材料器件应用日益广泛，已经成为世界各大国强盛的战略根基。我国科技界将半导体材料体系的拓展称为三代半导体，也就是硅或锗基、砷化镓或磷化铟基、氮化镓或碳化硅基材料三大体系。基于这三代（类）半导体形成的大规模集成电路与计算机技术、高速光纤通信与互联网技术、高功率电力电子与能源技术等诸多重大战略应用价值方向，不断推动现代信息技术、能源技术以及人工智能技术的进步和发展。
▲牛智川参加锑化物半导体技术成果合作发展座谈会
囿于时代背景和工业基础，我国的第一代、第二代半导体科技水平长期落后于人。进入21世纪后，半导体科技发展规划全面步入国家战略层面。年9月4日，一则“我国将把大力发展第三代半导体产业写入‘十四五’规划”的消息，更是引发市场对功率半导体的瞩目，以氮化镓、碳化硅为首的第三代半导体材料一时间风光无限。当前，伴随量子信息、可再生能源、人工智能等高新技术的迅速涌现和发展，持续催生和驱动半导体新体系微电子、光电子、磁电子、热电子等多功能器件技术的涌现。特别是信息技术向智能化、量子化迈进的重要时期，基于经典的前三代半导体深入挖掘其潜力的同时，也需要开拓新体系、新结构、新功能半导体材料，以满足不断增长的高性能、低成本芯片的需求。在牛智川看来，以Ga2O3超宽带隙半导体、锑化物窄带隙半导体、二维原子晶体低维半导体等为核心体系的多种新材料技术中，新型锑化物半导体材料在开拓量子拓扑新效应、推动红外器件制备技术变革两方面占有战略先机地位，是近20年来，国内外半导体材料研究领域呈现出绝无仅有的兼具基础研究科学意义和确定性重大应用前景的新材料体系，作为在相关研究方向走在全球前列的团体之一，中国科学院半导体研究所牛智川研究员团队领衔了我国锑化物半导体的开拓与发展。
走近锑化物半导体
什么是锑化物半导体？在回答这个问题之前，先来认识一下半导体。顾名思义，半导体就是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。相比导体和绝缘体，半导体的发现是最晚的，但也可以追溯到19世纪上半叶。
年，英国科学家、“电子学之父”法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，即随着温度升高，电阻率指数会减小，这是半导体现象的首次发现，也是半导体被发现的第一个特性。6年后，年仅19岁的法国物理学家亚历山大·贝克勒尔发现，半导体和电解质接触形成的结在光照下会产生电压，也就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是半导体被发现的第二个特性。年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体被发现的第三种特性。次年，德国航天工程师布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体被发现的第四种特性。
虽然半导体的这4个特性在年以前就先后被发现了，但“半导体”这个名字直到年才被考尼白格和维斯首次使用，而总结出半导体的这4个特性的工作一直到年12月才由贝尔实验室完成。也是在这一年，因为锗材料晶体管的诞生，让半导体材料真正走上了历史舞台。尽管这时距离半导体的第一个特性被发现已经过去了多年，但在其后几十年间，半导体几乎引领了整个信息化、数字化时代的发展。
“半导体已经从‘20世纪四大发明’之一发展成一个全人类的战略性支柱领域。我们现在所有的信息化、数字化、智能化设备都离不开半导体。”牛智川说道。
利用半导体制造的晶体管是芯片的最小单位，也是电子信息设备的基础元件。在牛智川看来，半导体科学成为信息时代的战略性科技领域，首先得益于20世纪初量子理论在固态体系中的衍生发展与深入完善，同时又依赖于半导体制造技术的创新迭代与产业应用。
纵观半导体多年发展历程会发现，半导体技术一共历经了3代更迭，而这里的代际主要是根据半导体制造材料来划分的。
第一代半导体的材料是Ⅳ族硅（Si）/锗（Ge）体系。在20世纪90年代之前，以硅材料为主的半导体占绝对的统治地位。直到目前，半导体器件和集成电路仍然主要是用硅晶体材料制造的，硅器件占了全球销售的所有半导体产品的95％以上。
第二代半导体的材料是Ⅲ-Ⅴ族砷化镓（GaAs）/磷化铟（InP）体系。随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，以砷化镓、磷化铟为代表的第二代半导体材料崭露头角，由它制造的半导体激光器更是成为光通信系统中的关键器件，同时砷化镓高速器件也开拓了光纤及移动通信的新产业。
第三代半导体材料即为Ⅲ-Ⅴ族的氮化镓（GaN）/碳化硅（SiC）体系，这也是当前全球战略竞争的制高点、我国重点扶持的行业。相比前两代半导体，第三代半导体材料具有更大的禁带宽度，可以满足现代电子科技对高温、高压、高功率、高频及高辐射等恶劣环境的要求，在航空、航天、光伏、汽车制造、通信、智能电网等前沿行业中拥有大规模应用前景，但仍然面临着单晶生长时间长、技术门槛高、成本高、良率低等诸多问题。
“虽然前三代经典半导体技术持续发展，但已经呈现出难以满足新需求的严重问题，特别是难以同时满足高性能、低成本的苛刻要求。”在牛智川看来，随着量子信息、绿色能源、人工智能等高新技术的不断涌现，开拓更新一代半导体技术是大势所趋。“在光电子、量子、物联、智能等技术需求的强烈驱动下，半导体技术将从硅基半导体主导的微电子时代迈向微电子与光电子半导体技术并重新时代。”而在这种情况下，以Ⅲ-Ⅴ族半导体为核心的光电子材料新一代技术的研究更加重要。
牛智川介绍，目前的新型半导体技术最具发展潜力的体系主要包括：窄带隙的锑化镓/铟化砷化合物半导体、超宽带隙的铝氮化合物和氧化镓材料以及各类低维材料如碳基纳米材料、二维原子晶体材料等。其中，锑化物半导体在凝聚态基础物理方面的研究内涵十分丰富且深刻，在光电器件技术领域尤其是宽谱域覆盖的红外光电芯片方向具有打破传统红外材料的诸多瓶颈，实现全面替代的重大应用前景，当之无愧占据了第四代半导体的核心地位。
“锑化物半导体在开发下一代的红外光电器件方向，具有小体积、轻重量、低功耗、低成本器件及能满足要求极为苛刻的应用等独特优势。”牛智川介绍，锑化物半导体材料主要优势有3点：一是相应的带隙能量覆盖了近红外到数十微米长波的整个红外区域；二是其为当前唯一可以在所有红外波段实现高性能多波段探测和发光光电器件的半导体材料；三是其与现有商用半导体光电器件工艺技术具有高度兼容性，应用性强。
正是因此，从21世纪初开始，锑化物半导体就得到了广泛重视，并从年起国外就将锑化物半导体相关的材料和器件列为出口封锁和垄断技术。作为当今世界的战略性支柱产业，半导体的发展直接影响现代信息社会发展的水平，可以说，谁能掌握下一代半导体器件工艺技术谁就拥有了新时期国际话语权。在此形势下，从年起，中国科学院半导体研究所聚焦锑化物半导体体系，组织了以牛智川研究员为带头人的研究团队，开始了艰难的自主研发攻关旅程，而他们的立足点就是锑化物半导体红外光电技术的研究。
十年磨一剑，开启国产锑化物半导体光电芯片发展新路
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