半導體材料在電子科學技術中的應用

朱泓達

(倫敦大學學院，倫敦 WC1H 0AQ)

半導體材料在社會建設和發展領域占據非常重要的地位，隨著第三代半導體的問世和不斷發展運用，其整體性能有了明顯提高，電子科學技術領域以及其他相關領域對半導體材料的性能和類型有了更高的要求。目前，科研人員已將半導體材料在電子科學技術中的應用作為重要研究課題，旨在推動提升半導體器件的穩定性和實用性，使其實現在相關應用領域的良好發展。

1 半導體材料在電子科學技術領域的發展應用及價值分析

半導體在電子科學技術領域出現并運用的早期階段，其材料就已經進入開發和探索階段。但是早期研發的半導體材料化學穩定性比較差，以鍺元素(化學元素符號Ge)為例，鍺元素制作的半導體材料經常會出現材料變性問題，也容易與其他電子設備組件發生氧化還原反應，進而反應生成化學性質比較穩定的氧化物(氧化物價態一般為+4)，導致半導體器件的實際作用明顯降低。由于其自身的不穩定特點，不適合在電子設備中運用，造成了早期的整體發展速度相對遲緩，與電子科學技術的融合發展效果也不理想。

經過多年的發展，半導體材料逐漸從配角轉變為主角，各個國家和地區都擴大了半導體材料市場。整體來看其逐漸呈現快速增長態勢。信息化時代的到來推動了其發展，帶來了比較大契機，使半導體市場的經濟收益逐漸增長。半導體材料是制作半導體設備和集成電路的主要材料，因此在電子科學技術領域廣泛運用，也使整個科學技術、經濟體系的格局發生了改變。隨著半導體材料的逐漸開發升級，其在各行各業的應用價值逐漸增大。

2 半導體材料的主要分類

2.1 元素半導體材料

元素半導體材料是最早從化學元素周期表研發出來的材料，雖然多種元素都具有比較突出的導電性能，但是從整體上來看，許多元素的穩定性比較差，也有的元素在加工處理上存在比較大的困難，導致可供作為半導體材料的化學元素比較少。例如，砷元素(As)、銻元素(Sb)、錫元素(Sn)，雖然具有一定的半導性，但是由于其形態并不穩定(有穩定的金屬形態和不穩定的半導體形態)，導致其在半導體材料中的運用受限。硼元素(B)、碳元素(C)、碲元素(Te)在自身性能和制作工藝上存在一定的局限性，因此利用率比較低。部分碲化物是半導體材料，超純碲單晶是一種新型的半導體器件制造材料。目前，所有元素半導體材料在半導體器件制作和電子科技領域的創新與研發中，以鍺元素(Ge)、硅元素(Si)為主要代表，二者是運用最為廣泛的，并呈迅速發展的良好態勢。

2.2 化合物半導體材料

化合物半導體材料分為無機化合物和有機化合物，但目前有機化合物半導體運用仍然受限，因此廣義上的化合物半導體指的是無機化合物。化合物半導體材料分類較多，目前應用比較多的有I族元素和V族元素組成的化合物，例如砷化鎵、氮化鎵、磷化鎵、氧化鋅以及石墨烯等物質都是主要的半導體材料，在電子科學技術中應用比較廣泛。I族元素和VII族元素組成的化合物半導體材料也具有閃鋅礦結構，如溴化亞銅等。還有一些比較復雜的三元系化合物半導體材料也是在電子科學技術中比較常用的半導體材料，如CuGaSe2等化合物。

3 半導體材料在電子科學技術中的應用方向

3.1 碳化硅的應用方向

碳化硅是目前比較常用的一種半導體材料，其自身的性能比較穩定，同時可以實現規模化供應。碳化硅主要通過人工合成的方式產生，其化學性能比較穩定，具有比較強的導熱性能和耐高溫特性，可以應用在半導體器件制作中。碳化硅半導體材料能夠在半導體器件的制作中發揮重要作用，未來碳化硅有望用于第三代寬帶隙半導體材料的制作中。同時，碳化硅還能運用于太陽能光伏發電、壓電晶體生產及其配套加工材料、航空航天等領域，如太陽能電池、電力系統運輸及保護。還可以運用于軍工生產中，如噴氣式飛機的剎車片、機身材料等方面。碳化硅的生產和應用具有一定的環保性，符合構建節約型社會的發展目標。

3.2 氮化鎵的應用方向

氮化鎵的熱量產生總量比較低，同時擊穿電場的效果比較好，是目前運用在電子科學技術中比較常見的一種半導體材料。一方面，由于氮化鎵的熱量產生率低且散熱效果明顯，再加上其帶隙較寬，可以應用于新型電子器件的制作中，如金屬場效應晶體管、異質結場效應晶體管等半導體器件中。另一方面，氮化鎵由于其帶隙較寬，覆蓋了比較寬的光譜色相范圍，因此其可以用于電子光電技術器件的生產制作，如藍光LED燈系統。其在電子計算機的光盤讀取技術、激光打印機技術等方面都有著比較多的應用。各大電子器材制造商都逐漸將氮化硅運用在電子科學技術生產和設計工作中。另外，氮化硅半導體材料也在軍事工業方面的電子技術中有比較多的應用，如導彈預警系統的制造與設計。

3.3 砷化鎵的應用方向

砷化鎵是目前應用比較廣泛的半導體材料，屬于新型半導體材料，其在半導體材料中占據非常重要的地位。砷化鎵由于受到其自身特征的影響，相比其他半導體元素材料能夠更好地適應高功率應用環境，如手機的電路系統、集成電路領域、照明系統、遙感控制系統、衛星通信系統和雷達系統中。經過多年的發展與改進，砷化鎵主要被用在電子及光電子材料等方向。其還被用于軍事領域中，如電子激光制導導彈的制造。

3.4 氧化鋅的應用方向

氧化鋅具有集成度較高、處理時間短、運行功率低等特征，因此氧化鋅在光電領域和傳感器器件制造等方面有比較廣泛的應用。氧化鋅的制作工藝具有比較簡便、原材料易于獲取、制造成本比較低、對生態環境污染小、應用效果明顯等優勢，使得氧化鋅在半導體器件制造領域具有比較好的應用前景，值得積極推廣。

4 結語

半導體材料的持續創新發展，帶動了相關產業的快速發展，使我國整體科學技術水平有了較大的提升。市場對于半導體材料的需求量逐漸增大，尤其是在電子科學技術領域中，對于新型高效的半導體器件要求不斷提高。為了使半導體材料的性能更優良，種類更加豐富，且能夠實現對成本的有效控制，應用前景變得更加廣闊。技術人員應當在原有半導體材料的基礎上完成優化升級和創新，這樣才能使半導體材料種類更豐富，運用范圍更廣，促使半導體材料能夠更好地運用于電子科學技術領域。