半导体材料在电子科学技术中的应用

朱泓达

(伦敦大学学院，伦敦 WC1H 0AQ)

半导体材料在社会建设和发展领域占据非常重要的地位，随着第三代半导体的问世和不断发展运用，其整体性能有了明显提高，电子科学技术领域以及其他相关领域对半导体材料的性能和类型有了更高的要求。目前，科研人员已将半导体材料在电子科学技术中的应用作为重要研究课题，旨在推动提升半导体器件的稳定性和实用性，使其实现在相关应用领域的良好发展。

1 半导体材料在电子科学技术领域的发展应用及价值分析

半导体在电子科学技术领域出现并运用的早期阶段，其材料就已经进入开发和探索阶段。但是早期研发的半导体材料化学稳定性比较差，以锗元素(化学元素符号Ge)为例，锗元素制作的半导体材料经常会出现材料变性问题，也容易与其他电子设备组件发生氧化还原反应，进而反应生成化学性质比较稳定的氧化物(氧化物价态一般为+4)，导致半导体器件的实际作用明显降低。由于其自身的不稳定特点，不适合在电子设备中运用，造成了早期的整体发展速度相对迟缓，与电子科学技术的融合发展效果也不理想。

经过多年的发展，半导体材料逐渐从配角转变为主角，各个国家和地区都扩大了半导体材料市场。整体来看其逐渐呈现快速增长态势。信息化时代的到来推动了其发展，带来了比较大契机，使半导体市场的经济收益逐渐增长。半导体材料是制作半导体设备和集成电路的主要材料，因此在电子科学技术领域广泛运用，也使整个科学技术、经济体系的格局发生了改变。随着半导体材料的逐渐开发升级，其在各行各业的应用价值逐渐增大。

2 半导体材料的主要分类

2.1 元素半导体材料

元素半导体材料是最早从化学元素周期表研发出来的材料，虽然多种元素都具有比较突出的导电性能，但是从整体上来看，许多元素的稳定性比较差，也有的元素在加工处理上存在比较大的困难，导致可供作为半导体材料的化学元素比较少。例如，砷元素(As)、锑元素(Sb)、锡元素(Sn)，虽然具有一定的半导性，但是由于其形态并不稳定(有稳定的金属形态和不稳定的半导体形态)，导致其在半导体材料中的运用受限。硼元素(B)、碳元素(C)、碲元素(Te)在自身性能和制作工艺上存在一定的局限性，因此利用率比较低。部分碲化物是半导体材料，超纯碲单晶是一种新型的半导体器件制造材料。目前，所有元素半导体材料在半导体器件制作和电子科技领域的创新与研发中，以锗元素(Ge)、硅元素(Si)为主要代表，二者是运用最为广泛的，并呈迅速发展的良好态势。

2.2 化合物半导体材料

化合物半导体材料分为无机化合物和有机化合物，但目前有机化合物半导体运用仍然受限，因此广义上的化合物半导体指的是无机化合物。化合物半导体材料分类较多，目前应用比较多的有I族元素和V族元素组成的化合物，例如砷化镓、氮化镓、磷化镓、氧化锌以及石墨烯等物质都是主要的半导体材料，在电子科学技术中应用比较广泛。I族元素和VII族元素组成的化合物半导体材料也具有闪锌矿结构，如溴化亚铜等。还有一些比较复杂的三元系化合物半导体材料也是在电子科学技术中比较常用的半导体材料，如CuGaSe2等化合物。

3 半导体材料在电子科学技术中的应用方向

3.1 碳化硅的应用方向

碳化硅是目前比较常用的一种半导体材料，其自身的性能比较稳定，同时可以实现规模化供应。碳化硅主要通过人工合成的方式产生，其化学性能比较稳定，具有比较强的导热性能和耐高温特性，可以应用在半导体器件制作中。碳化硅半导体材料能够在半导体器件的制作中发挥重要作用，未来碳化硅有望用于第三代宽带隙半导体材料的制作中。同时，碳化硅还能运用于太阳能光伏发电、压电晶体生产及其配套加工材料、航空航天等领域，如太阳能电池、电力系统运输及保护。还可以运用于军工生产中，如喷气式飞机的刹车片、机身材料等方面。碳化硅的生产和应用具有一定的环保性，符合构建节约型社会的发展目标。

3.2 氮化镓的应用方向

氮化镓的热量产生总量比较低，同时击穿电场的效果比较好，是目前运用在电子科学技术中比较常见的一种半导体材料。一方面，由于氮化镓的热量产生率低且散热效果明显，再加上其带隙较宽，可以应用于新型电子器件的制作中，如金属场效应晶体管、异质结场效应晶体管等半导体器件中。另一方面，氮化镓由于其带隙较宽，覆盖了比较宽的光谱色相范围，因此其可以用于电子光电技术器件的生产制作，如蓝光LED灯系统。其在电子计算机的光盘读取技术、激光打印机技术等方面都有着比较多的应用。各大电子器材制造商都逐渐将氮化硅运用在电子科学技术生产和设计工作中。另外，氮化硅半导体材料也在军事工业方面的电子技术中有比较多的应用，如导弹预警系统的制造与设计。

3.3 砷化镓的应用方向

砷化镓是目前应用比较广泛的半导体材料，属于新型半导体材料，其在半导体材料中占据非常重要的地位。砷化镓由于受到其自身特征的影响，相比其他半导体元素材料能够更好地适应高功率应用环境，如手机的电路系统、集成电路领域、照明系统、遥感控制系统、卫星通信系统和雷达系统中。经过多年的发展与改进，砷化镓主要被用在电子及光电子材料等方向。其还被用于军事领域中，如电子激光制导导弹的制造。

3.4 氧化锌的应用方向

氧化锌具有集成度较高、处理时间短、运行功率低等特征，因此氧化锌在光电领域和传感器器件制造等方面有比较广泛的应用。氧化锌的制作工艺具有比较简便、原材料易于获取、制造成本比较低、对生态环境污染小、应用效果明显等优势，使得氧化锌在半导体器件制造领域具有比较好的应用前景，值得积极推广。

4 结语

半导体材料的持续创新发展，带动了相关产业的快速发展，使我国整体科学技术水平有了较大的提升。市场对于半导体材料的需求量逐渐增大，尤其是在电子科学技术领域中，对于新型高效的半导体器件要求不断提高。为了使半导体材料的性能更优良，种类更加丰富，且能够实现对成本的有效控制，应用前景变得更加广阔。技术人员应当在原有半导体材料的基础上完成优化升级和创新，这样才能使半导体材料种类更丰富，运用范围更广，促使半导体材料能够更好地运用于电子科学技术领域。