電子科學技術中的半導體材料發展趨勢

高遠

摘? ?要：現階段，我國的各個行業的發展都離不開電子科學技術的進步，而半導體材料是現代電子科學工業重要的基礎產品。在現代社會的發展過程中，半導體材料始終處于重要地位。從第一代以硅、鍺為代表的半導體材料發展到現階段的第三代半導體材料，半導體材料的性能得到了巨大的提升，并將會在未來的各種新技術的發展中持續處于重要地位。本文主要分析電子科學技術中半導體材料的發展意義及前景，以供參考。

關鍵詞：電子科學技術? 半導體? 發展趨勢

中圖分類號：TN304? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0246-02

在現代社會的發展過程中，半導體材料始終處于重要地位。目前，以帶隙寬度明顯大于硅和砷化鎵的寬禁帶半導體作為第三代半導體材料的代表在各個領域都發揮著更為優越的性能，并為各個行業的進步與發展做出巨大貢獻。

1? 電子科學技術中的半導體材料發展的背景與意義

以硅和鍺為代表的第一代半導體因為儲存量較大和制作工藝較為成熟等原因快速的取得廣泛應用。在電子科學技術發展初期，半導體材料的發展并不順利，最早應用于半導體材料制作的元素是鍺，但由于鍺的化學性活潑，極易與半導體設備中的其他材料發生氧化還原反應，進而生成化學性穩定的氧化鍺，從而大幅度降低了鍺的導電性。同時，鍺的產量很低，這也嚴重的限制了當時半導體材料的發展。直到20世紀80年代，在紅外光學領域的技術突破，使鍺這種半導體材料取得了在紅外光學領域的廣泛應用，隨后也在太陽能電池領域得到了較為廣泛應用。隨著人們對電子科學技術研究的深入和對半導體材料的認識深化，逐漸開發出第二代和第三代半導體材料。尤其是第三代半導體材料具有寬禁帶、高熱導率、高的擊穿電場、高抗輻射能力、高電子飽和性以及高速率等特點在各個領域中得到了廣泛的應用。

2? 電子科學技術中半導體材料的特點

半導體材料是一種具有介于導體與絕緣體之間特性的一種材料，通常用來制作電路中的各種電子器件。現階段使用的半導體材料主要分為元素半導體、化合物半導體和固溶半導體。

就目前已經發現的元素，具有半導特性的元素在元素周期表內都處于金屬元素與非金屬元素之間，且化學特性都不穩定，在使用上較為復雜。現階段的半導體材料主要由硅和鍺制作。受單元素半導體材料的局限性，隨后人們又逐漸研究化合物半導體。相較于傳統的硅和鍺元素的半導體材料，化合物半導體材料具有超高速、低功耗、多功能、抗輻射的優點，并以更快的速度得到了廣泛應用。其中，目前較為廣泛應用的化合物半導體材料以砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）、氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為主。另外還有固溶半導體，其主要是由兩個或兩個以上的元素組成具有足夠含量的固體溶液且具有半導體特性的物體。固溶體半導體材料通過對不同元素的化學價鍵進行科學合理的設計，按照一定比例配置而成，通過控制其固溶濃度來對應地改變固溶半導體材料的特性，為半導體材料種類提供了更多的選擇。

氮化鎵（GaN）半導體材料是一種發熱量較低且具有較強的擊穿效果的半導體材料，常常工作在高溫大功率以及高頻等情況下。另外，氮化鎵具有較寬的帶隙寬，可以應用于LED藍光等方面，除此之外還常常應用于軍工、新能源、光學探測等領域。碳化硅（SiC）是一種典型的硅基化合物半導體材料，其自身的導熱性較好，具有良好的化學穩定性，常常被使用于需要良好散熱性的工作條件下。現階段，碳化硅經常應用于太陽能電池領域、發電傳輸領域以及衛星通信領域。雖然碳化硅的性能優越，但由于我國現階段尚沒有完整的產業鏈支持，碳化硅半導體材料的應用并不廣泛。另一方面，隨著我國的可持續發展的戰略的深入執行，碳化硅等新興半導體材料得到更為廣泛的關注，相信很快我國的碳化硅半導體產業會有良好的發展。其中，氧化鋅（ZnO）半導體材料隨著現代光學技術和傳感器技術的發展也得到了人們的關注。氧化鋅半導體材料具有響應速度快、采集程度高、功耗較低、靈敏度高等優點，另外由于氧化鋅半導體的原材料豐富、價格低廉、符合我國的可持續發展戰略等優勢，在我國的現階段發展中有著較為廣闊的發展前景。其結構如圖1所示。

3? 電子科學技術中的半導體材料的發展趨勢

電子科學技術中的半導體材料歷經數十年的發展，已經經歷了三代。第一代主要是以硅和鍺為主的半導體材料，為現代的電子科學技術的發展做出巨大貢獻。其主要應用于低壓、低頻、低功耗的集成電路中。隨著科技的發展，因為硅半導體材料在高壓和高頻電子器件受到限制等問題，第二代半導體材料的應用主要是以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表，并在現代信息產業中得到發展。由于砷化鎵的電子遷移率遠高于第一代半導體材料硅，且具有較寬的帶隙，可以滿足高頻和高速的工作環境下，其性能十分符合現代通信行業的需求。但第二代半導體材料也存在著十分嚴重的弊端，其禁帶寬度仍不夠大，擊穿電場較低，在高溫、高功率的應用場景下并不理想。其次，砷化鎵的原材料具有毒性，對環境和人體都不夠友好。基于第二代半導體材料的局限性，在此基礎上研發的第三代半導體材料得到了巨大的優化。第三代半導體材料的帶隙寬度得到了明顯的增大，具有較高的擊穿電場，較強的抗輻射性，較高的熱導率和較高的電子飽和速率等優點。第三代半導體可以在較高的溫度下穩定運行，并且消耗的電能較少，運行效率更高，而且還可以在高電壓和高頻率的條件下良好地運行。

在未來的電子科學技術中的半導體材料發展中，在不斷研發出新的半導體材料的同時，還需要對現有的半導體材料進行改進，如減小器件的尺寸，提高電路的集成度，降低半導體材料的功耗等。對于新的半導體材料的研發，目前發現的金剛石材料擁有著比目前的第三代半導體材料更好的性能，可以在更為惡劣的情況下正常運行。但以目前的技術尚不能解決單晶薄膜生長非常困難的問題，難以制作出金剛石半導體材料。另外就目前非常熱門的量子領域與半導體材料的結合也具有十分廣闊的前景。基于量子學理論可以大幅度較低材料的大小，使維數降低，所產生的量子尺寸效應，量子干涉效應和量子遂穿效應更加明顯，可以為半導體材料的研發開辟新的領域。

4? 結語

從第一代半導體材料發展到現階段的第三代半導體材料，電子科學技術得到了巨大的發展，同時也帶動了周邊產業的發展，為我國的發展起到了重要的推動作用。在新的時代，人們必然會對半導體材料的要求逐步提高，相關的研究者也應該積極面對時代的進步，在原有技術上不斷創新，不斷改革，不斷生產出可以滿足各個行業需求的半導體材料。

參考文獻

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