电子科学技术中的半导体材料发展趋势

高远

摘   要：现阶段，我国的各个行业的发展都离不开电子科学技术的进步，而半导体材料是现代电子科学工业重要的基础产品。在现代社会的发展过程中，半导体材料始终处于重要地位。从第一代以硅、锗为代表的半导体材料发展到现阶段的第三代半导体材料，半导体材料的性能得到了巨大的提升，并将会在未来的各种新技术的发展中持续处于重要地位。本文主要分析电子科学技术中半导体材料的发展意义及前景，以供参考。

关键词：电子科学技术  半导体  发展趋势

中图分类号：TN304                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0246-02

在现代社会的发展过程中，半导体材料始终处于重要地位。目前，以带隙宽度明显大于硅和砷化镓的宽禁带半导体作为第三代半导体材料的代表在各个领域都发挥着更为优越的性能，并为各个行业的进步与发展做出巨大贡献。

1  电子科学技术中的半导体材料发展的背景与意义

以硅和锗为代表的第一代半导体因为储存量较大和制作工艺较为成熟等原因快速的取得广泛应用。在电子科学技术发展初期，半导体材料的发展并不顺利，最早应用于半导体材料制作的元素是锗，但由于锗的化学性活泼，极易与半导体设备中的其他材料发生氧化还原反应，进而生成化学性稳定的氧化锗，从而大幅度降低了锗的导电性。同时，锗的产量很低，这也严重的限制了当时半导体材料的发展。直到20世纪80年代，在红外光学领域的技术突破，使锗这种半导体材料取得了在红外光学领域的广泛应用，随后也在太阳能电池领域得到了较为广泛应用。随着人们对电子科学技术研究的深入和对半导体材料的认识深化，逐渐开发出第二代和第三代半导体材料。尤其是第三代半导体材料具有宽禁带、高热导率、高的击穿电场、高抗辐射能力、高电子饱和性以及高速率等特点在各个领域中得到了广泛的应用。

2  电子科学技术中半导体材料的特点

半导体材料是一种具有介于导体与绝缘体之间特性的一种材料，通常用来制作电路中的各种电子器件。现阶段使用的半导体材料主要分为元素半导体、化合物半导体和固溶半导体。

就目前已经发现的元素，具有半导特性的元素在元素周期表内都处于金属元素与非金属元素之间，且化学特性都不稳定，在使用上较为复杂。现阶段的半导体材料主要由硅和锗制作。受单元素半导体材料的局限性，随后人们又逐渐研究化合物半导体。相较于传统的硅和锗元素的半导体材料，化合物半导体材料具有超高速、低功耗、多功能、抗辐射的优点，并以更快的速度得到了广泛应用。其中，目前较为广泛应用的化合物半导体材料以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为主。另外还有固溶半导体，其主要是由两个或两个以上的元素组成具有足够含量的固体溶液且具有半导体特性的物体。固溶体半导体材料通过对不同元素的化学价键进行科学合理的设计，按照一定比例配置而成，通过控制其固溶浓度来对应地改变固溶半导体材料的特性，为半导体材料种类提供了更多的选择。

氮化镓（GaN）半导体材料是一种发热量较低且具有较强的击穿效果的半导体材料，常常工作在高温大功率以及高频等情况下。另外，氮化镓具有较宽的带隙宽，可以应用于LED蓝光等方面，除此之外还常常应用于军工、新能源、光学探测等领域。碳化硅（SiC）是一种典型的硅基化合物半导体材料，其自身的导热性较好，具有良好的化学稳定性，常常被使用于需要良好散热性的工作条件下。现阶段，碳化硅经常应用于太阳能电池领域、发电传输领域以及卫星通信领域。虽然碳化硅的性能优越，但由于我国现阶段尚没有完整的产业链支持，碳化硅半导体材料的应用并不广泛。另一方面，随着我国的可持续发展的战略的深入执行，碳化硅等新兴半导体材料得到更为广泛的关注，相信很快我国的碳化硅半导体产业会有良好的发展。其中，氧化锌（ZnO）半导体材料随着现代光学技术和传感器技术的发展也得到了人们的关注。氧化锌半导体材料具有响应速度快、采集程度高、功耗較低、灵敏度高等优点，另外由于氧化锌半导体的原材料丰富、价格低廉、符合我国的可持续发展战略等优势，在我国的现阶段发展中有着较为广阔的发展前景。其结构如图1所示。

3  电子科学技术中的半导体材料的发展趋势

电子科学技术中的半导体材料历经数十年的发展，已经经历了三代。第一代主要是以硅和锗为主的半导体材料，为现代的电子科学技术的发展做出巨大贡献。其主要应用于低压、低频、低功耗的集成电路中。随着科技的发展，因为硅半导体材料在高压和高频电子器件受到限制等问题，第二代半导体材料的应用主要是以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表，并在现代信息产业中得到发展。由于砷化镓的电子迁移率远高于第一代半导体材料硅，且具有较宽的带隙，可以满足高频和高速的工作环境下，其性能十分符合现代通信行业的需求。但第二代半导体材料也存在着十分严重的弊端，其禁带宽度仍不够大，击穿电场较低，在高温、高功率的应用场景下并不理想。其次，砷化镓的原材料具有毒性，对环境和人体都不够友好。基于第二代半导体材料的局限性，在此基础上研发的第三代半导体材料得到了巨大的优化。第三代半导体材料的带隙宽度得到了明显的增大，具有较高的击穿电场，较强的抗辐射性，较高的热导率和较高的电子饱和速率等优点。第三代半导体可以在较高的温度下稳定运行，并且消耗的电能较少，运行效率更高，而且还可以在高电压和高频率的条件下良好地运行。

在未来的电子科学技术中的半导体材料发展中，在不断研发出新的半导体材料的同时，还需要对现有的半导体材料进行改进，如减小器件的尺寸，提高电路的集成度，降低半导体材料的功耗等。对于新的半导体材料的研发，目前发现的金刚石材料拥有着比目前的第三代半导体材料更好的性能，可以在更为恶劣的情况下正常运行。但以目前的技术尚不能解决单晶薄膜生长非常困难的问题，难以制作出金刚石半导体材料。另外就目前非常热门的量子领域与半导体材料的结合也具有十分广阔的前景。基于量子学理论可以大幅度较低材料的大小，使维数降低，所产生的量子尺寸效应，量子干涉效应和量子遂穿效应更加明显，可以为半导体材料的研发开辟新的领域。

4  结语

从第一代半导体材料发展到现阶段的第三代半导体材料，电子科学技术得到了巨大的发展，同时也带动了周边产业的发展，为我国的发展起到了重要的推动作用。在新的时代，人们必然会对半导体材料的要求逐步提高，相关的研究者也应该积极面对时代的进步，在原有技术上不断创新，不断改革，不断生产出可以满足各个行业需求的半导体材料。

参考文献

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