文 | 半导体产业纵横
从支撑起计算机革命的第一代硅基半导体，到开启光电子与新能源时代的后续几代材料，每一次代际更替都在通信、能源、计算等关键领域掀起跨越式变革浪潮。
深入解析前四代半导体材料的特性、应用场景及代际更替背后的逻辑，不仅能让我们清晰把握半导体发展的历史脉络，更能为推测第五代半导体的可能方向提供关键依据。
从第一代到第四代：半导体材料的迭代之路
第一代半导体材料是人类最早规模化应用的半导体类型，主要是硅（Si）与锗（Ge）两种元素半导体。其中，硅材料凭借1.12eV的禁带宽度、地壳储量丰富（约26.4%）及成熟的制造工艺优势，在集成电路、计算机、通信设备等现代电子工业领域确立核心地位。
第二代半导体材料是20世纪八九十年代伴随移动通信和光纤通信发展而兴起的化合物半导体材料，以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为主要代表。这类材料因具有高频、高速及大功率特性，适用于制造微波器件、毫米波器件及发光电子器件，逐步突破传统硅基材料的性能限制。其禁带宽度介于第一代与第三代半导体之间，主要用于卫星通讯、移动通信、光通信等领域，光通信系统中的半导体激光器及5G毫米波系统均依赖该材料。
二十一世纪以来，以氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料开始崭露头角。第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的导热率、更高的抗辐射能力、更大的电子饱和漂移速率等特性，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率电子器件，在光电子和微电子领域具有重要的应用价值。市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。
第四代半导体是超禁带半导体，主要有两个方向，一类是以氧化镓为代表的超宽禁带半导体，另一类是锑化物半导体窄禁带半导体。
那么第五代半导体会是啥？
拓扑绝缘体：零能耗电子器件的希望
拓扑绝缘体是一种具有特殊电子结构的新型量子材料，其最显著的特性是表面或边界具有导电态，而内部则呈现绝缘态，这种独特的“体相绝缘-表面导电”量子特性使其被视为下一代超低功耗芯片的核心材料。
从物理机制来看，拓扑绝缘体的表面导电态是由材料的拓扑性质决定的，具有拓扑保护特性，即不易受到材料表面缺陷、杂质等因素的影响，电子在表面传输时几乎没有散射，能够实现无耗散传输，这意味着基于拓扑绝缘体制造的电子器件可以大幅降低能量损耗，解决传统半导体器件因电子散射而产生的发热问题。此外，拓扑绝缘体的表面电子还具有自旋-动量锁定特性，即电子的自旋方向与动量方向存在固定的对应关系，这一特性为自旋电子器件的研发提供了新的思路，有望实现更高密度、更快速度的信息存储与处理。
自拓扑绝缘体概念提出以来，科研人员在材料制备、性能表征和器件研发等方面取得了一系列重要突破。在材料制备方面，已成功制备出多种类型的拓扑绝缘体材料，包括碲化铋（Bi₂Te₃）、硒化铋（Bi₂Se₃）、锑化铋（BiSb）等三维拓扑绝缘体，以及一些二维拓扑绝缘体材料。通过优化制备工艺，如分子束外延、化学气相沉积等，材料的晶体质量和表面平整度不断提升，为后续器件研发奠定了良好基础。在性能表征方面，利用角分辨光电子能谱（ARPES）等先进表征技术，科研人员清晰地观测到了拓扑绝缘体表面的狄拉克锥电子结构，证实了其表面导电态的存在，同时对电子传输特性、自旋特性等进行了深入研究。在器件研发方面，已初步研制出基于拓扑绝缘体的场效应晶体管、自旋过滤器、量子比特等原型器件。例如，基于拓扑绝缘体的场效应晶体管展现出了极低的漏电电流和良好的开关特性，在低功耗逻辑电路领域具有潜在应用；拓扑绝缘体自旋过滤器则能够实现对电子自旋的有效调控，为自旋电子器件的实用化迈出了重要一步。不过，拓扑绝缘体的研发仍面临一些挑战，如如何进一步提高材料的载流子迁移率、降低缺陷密度，以及如何实现器件的规模化制备等，这些问题需要科研人员在未来的研究中不断解决。
二维材料：摩尔定律的破局关键
二维材料是指在一个维度上具有纳米尺度或原子尺度厚度，而在另外两个维度上具有宏观尺度的片状材料，典型代表包括石墨烯、二硫化钼（MoS₂）等。原子级的厚度赋予了二维材料独特的电学、光学和力学性能。
面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战，具有单个原子层厚度的二维半导体是目前国际公认的破局关键，科学家们一直在探索如何将二维半导体材料应用于集成电路中。实际上，二维材料已被添加到IMEC逻辑缩放路线图中。
十多年来，国际学术界与产业界已掌握晶圆级二维材料生长技术，成功制造出拥有数百个原子长度、若干个原子厚度的高性能基础器件。但此前国际上最高的二维半导体数字电路集成度仅为115个晶体管，由奥地利维也纳工业大学团队在2017年实现。核心难题在于，要将这些原子级精密元件组装成完整的集成电路系统，依旧受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制。
今年早些时候，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室周鹏、包文中联合团队成功研制全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”。该成果突破二维半导体电子学工程化瓶颈，首次实现5900个晶体管的集成度，是由复旦团队完成、具有自主知识产权的国产技术，使我国在新一代芯片材料研制中占据先发优势，为推动电子与计算技术进入新纪元提供有力支撑。
碳纳米管：新型沟道材料
在半导体器件中，沟道是电子或空穴传输的关键区域，沟道材料的性能直接决定了器件的开关速度、驱动电流、功耗等关键指标。随着半导体制程不断逼近物理极限，传统硅基沟道材料的性能提升空间逐渐受限，因此，研发新型沟道材料成为提升半导体器件性能的关键突破点，也是第五代半导体研究的重要方向之一，其中碳纳米管（CNTs）是最具代表性的新型沟道材料。
早在2007年，碳基纳电子学就被提出可能成为下一代电子技术。主要原因如下：（1）碳与硅为同一主族元素，具有很多相似的化学性质；（2）CNTs长度为几百纳米，器件中电子输运呈现完美的弹道结构，能量的利用率高；（3）超薄的导电通道，载流子的迁移率高，在小于10nm技术节点下，使得超尺度FET的短通道效应最小化；（4）优异的导热性能。然而，制备碳纳米管集成电路的前提是实现CNTs具有超高的半导体纯度、合适的密度、排布方向一致等条件，制造出符合要求的碳纳米管材料，是碳管电子学所面临的巨大挑战。
碳纳米晶体管是以碳纳米管为核心沟道导电材料制作的晶体管，其性能已突破传统硅基晶体管限制。2016年，美国威斯康星大学团队研制出1英寸碳纳米晶体管，通过聚合物替代金属纳米管技术，将金属杂质含量降至0.01%以下，解决了导电性能瓶颈。2025年最新进展中，北京大学团队开发出90nm集成碳纳米管氢气传感器，MIT则利用14000多个碳纳米管制成16位微处理器。此类晶体管在抗辐照集成电路等领域展现应用潜力，但仍面临制造工艺优化等挑战。
量子点与光子晶体
量子点是一种纳米级别的半导体，通过对这种纳米半导体材料施加一定的电场或光压，它们便会发出特定频率的光，而发出的光的频率会随着这种半导体的尺寸的改变而变化，因而通过调节这种纳米半导体的尺寸就可以控制其发出的光的颜色，由于这种纳米半导体拥有限制电子和电子空穴（Electron hole）的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。
光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap，简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”，可用于控制光子的发射、传输和反射。光子晶体体积非常小，在新的纳米技术中、光计算机、芯片等领域有广泛的应用前景。
量子点与光子晶体的结合，能够实现光-电-热的多功能集成，在光电子器件领域具有广阔的应用前景。
生物半导体
生物半导体是一种基于生物分子（如DNA、蛋白质）的新型半导体材料，其核心特点是能够将生物系统与电子电路相兼容，实现生物信号与电子信号的高效转换和交互。例如，蛋白质具有独特的分子结构和电学特性，可用于制备生物半导体器件，如蛋白质存储器件，利用蛋白质分子的电荷存储特性实现信息的存储，具有高密度、低功耗、生物相容性好等优点。
在研发进展方面，生物半导体目前处于实验室研究的初期阶段，但已取得了一些引人注目的成果。科研人员通过基因工程、分子自组装等技术，成功实现了DNA、蛋白质等生物分子的有序排列和功能化修饰，制备出了具有半导体特性的生物薄膜和纳米结构。基于这些生物材料的原型器件，如生物场效应晶体管、生物传感器、蛋白质存储器等已相继被研发出来，初步验证了生物半导体在生物医学检测、wearable电子设备、新一代信息存储等领域的应用潜力。然而，生物半导体的发展仍面临诸多挑战，如生物分子的稳定性较差，容易受到外界环境（如温度、湿度、pH值）的影响，如何提高生物半导体材料和器件的稳定性和可靠性；生物分子的电学性能调控难度较大，如何实现对其电学特性的精准控制；以及生物半导体器件的制备工艺复杂，难以实现规模化生产等，这些都是未来需要重点研究和解决的问题。
总结
第五代半导体的发展正处于探索与起步阶段，拓扑绝缘体、二维材料、新型沟道材料、量子点与光子晶体、生物半导体等候选材料各具特色，都有望在未来的科技发展中扮演重要角色。
虽然目前这些材料仍面临着诸多技术挑战，但随着研发的不断深入和技术的持续突破，第五代半导体必将为人类科技带来新的变革，推动通信、能源、计算、生物医学等领域实现跨越式发展。