高遠(yuǎn)

摘? ?要：現(xiàn)階段，我國(guó)的各個(gè)行業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，而半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代電子科學(xué)工業(yè)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品。在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，半導(dǎo)體材料始終處于重要地位。從第一代以硅、鍺為代表的半導(dǎo)體材料發(fā)展到現(xiàn)階段的第三代半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料的性能得到了巨大的提升，并將會(huì)在未來(lái)的各種新技術(shù)的發(fā)展中持續(xù)處于重要地位。本文主要分析電子科學(xué)技術(shù)中半導(dǎo)體材料的發(fā)展意義及前景，以供參考。

關(guān)鍵詞：電子科學(xué)技術(shù)? 半導(dǎo)體? 發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TN304? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（c）-0246-02

在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展過(guò)程中，半導(dǎo)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(dǎo)體作為第三代半導(dǎo)體材料的代表在各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著更為優(yōu)越的性能，并為各個(gè)行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

1? 電子科學(xué)技術(shù)中的半導(dǎo)體材料發(fā)展的背景與意義

以硅和鍺為代表的第一代半導(dǎo)體因?yàn)閮?chǔ)存量較大和制作工藝較為成熟等原因快速的取得廣泛應(yīng)用。在電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展初期，半導(dǎo)體材料的發(fā)展并不順利，最早應(yīng)用于半導(dǎo)體材料制作的元素是鍺，但由于鍺的化學(xué)性活潑，極易與半導(dǎo)體設(shè)備中的其他材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而生成化學(xué)性穩(wěn)定的氧化鍺，從而大幅度降低了鍺的導(dǎo)電性。同時(shí)，鍺的產(chǎn)量很低，這也嚴(yán)重的限制了當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體材料的發(fā)展。直到20世紀(jì)80年代，在紅外光學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)突破，使鍺這種半導(dǎo)體材料取得了在紅外光學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，隨后也在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域得到了較為廣泛應(yīng)用。隨著人們對(duì)電子科學(xué)技術(shù)研究的深入和對(duì)半導(dǎo)體材料的認(rèn)識(shí)深化，逐漸開(kāi)發(fā)出第二代和第三代半導(dǎo)體材料。尤其是第三代半導(dǎo)體材料具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高的擊穿電場(chǎng)、高抗輻射能力、高電子飽和性以及高速率等特點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

2? 電子科學(xué)技術(shù)中半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)

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

就目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的元素，具有半導(dǎo)特性的元素在元素周期表內(nèi)都處于金屬元素與非金屬元素之間，且化學(xué)特性都不穩(wěn)定，在使用上較為復(fù)雜?，F(xiàn)階段的半導(dǎo)體材料主要由硅和鍺制作。受單元素半導(dǎo)體材料的局限性，隨后人們又逐漸研究化合物半導(dǎo)體。相較于傳統(tǒng)的硅和鍺元素的半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體材料具有超高速、低功耗、多功能、抗輻射的優(yōu)點(diǎn)，并以更快的速度得到了廣泛應(yīng)用。其中，目前較為廣泛應(yīng)用的化合物半導(dǎo)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(dǎo)體，其主要是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素組成具有足夠含量的固體溶液且具有半導(dǎo)體特性的物體。固溶體半導(dǎo)體材料通過(guò)對(duì)不同元素的化學(xué)價(jià)鍵進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，按照一定比例配置而成，通過(guò)控制其固溶濃度來(lái)對(duì)應(yīng)地改變固溶半導(dǎo)體材料的特性，為半導(dǎo)體材料種類提供了更多的選擇。

氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體材料是一種發(fā)熱量較低且具有較強(qiáng)的擊穿效果的半導(dǎo)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(yīng)用于LED藍(lán)光等方面，除此之外還常常應(yīng)用于軍工、新能源、光學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域。碳化硅（SiC）是一種典型的硅基化合物半導(dǎo)體材料，其自身的導(dǎo)熱性較好，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，常常被使用于需要良好散熱性的工作條件下?，F(xiàn)階段，碳化硅經(jīng)常應(yīng)用于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域、發(fā)電傳輸領(lǐng)域以及衛(wèi)星通信領(lǐng)域。雖然碳化硅的性能優(yōu)越，但由于我國(guó)現(xiàn)階段尚沒(méi)有完整的產(chǎn)業(yè)鏈支持，碳化硅半導(dǎo)體材料的應(yīng)用并不廣泛。另一方面，隨著我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略的深入執(zhí)行，碳化硅等新興半導(dǎo)體材料得到更為廣泛的關(guān)注，相信很快我國(guó)的碳化硅半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)會(huì)有良好的發(fā)展。其中，氧化鋅（ZnO）半導(dǎo)體材料隨著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展也得到了人們的關(guān)注。氧化鋅半導(dǎo)體材料具有響應(yīng)速度快、采集程度高、功耗較低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，另外由于氧化鋅半導(dǎo)體的原材料豐富、價(jià)格低廉、符合我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)的現(xiàn)階段發(fā)展中有著較為廣闊的發(fā)展前景。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3? 電子科學(xué)技術(shù)中的半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢(shì)

電子科學(xué)技術(shù)中的半導(dǎo)體材料歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代主要是以硅和鍺為主的半導(dǎo)體材料，為現(xiàn)代的電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。其主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功耗的集成電路中。隨著科技的發(fā)展，因?yàn)楣璋雽?dǎo)體材料在高壓和高頻電子器件受到限制等問(wèn)題，第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用主要是以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表，并在現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)中得到發(fā)展。由于砷化鎵的電子遷移率遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)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(huán)境下，其性能十分符合現(xiàn)代通信行業(yè)的需求。但第二代半導(dǎo)體材料也存在著十分嚴(yán)重的弊端，其禁帶寬度仍不夠大，擊穿電場(chǎng)較低，在高溫、高功率的應(yīng)用場(chǎng)景下并不理想。其次，砷化鎵的原材料具有毒性，對(duì)環(huán)境和人體都不夠友好?；诘诙雽?dǎo)體材料的局限性，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的第三代半導(dǎo)體材料得到了巨大的優(yōu)化。第三代半導(dǎo)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(chǎng)，較強(qiáng)的抗輻射性，較高的熱導(dǎo)率和較高的電子飽和速率等優(yōu)點(diǎn)。第三代半導(dǎo)體可以在較高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，并且消耗的電能較少，運(yùn)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(yùn)行。

在未來(lái)的電子科學(xué)技術(shù)中的半導(dǎo)體材料發(fā)展中，在不斷研發(fā)出新的半導(dǎo)體材料的同時(shí)，還需要對(duì)現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料進(jìn)行改進(jìn)，如減小器件的尺寸，提高電路的集成度，降低半導(dǎo)體材料的功耗等。對(duì)于新的半導(dǎo)體材料的研發(fā)，目前發(fā)現(xiàn)的金剛石材料擁有著比目前的第三代半導(dǎo)體材料更好的性能，可以在更為惡劣的情況下正常運(yùn)行。但以目前的技術(shù)尚不能解決單晶薄膜生長(zhǎng)非常困難的問(wèn)題，難以制作出金剛石半導(dǎo)體材料。另外就目前非常熱門的量子領(lǐng)域與半導(dǎo)體材料的結(jié)合也具有十分廣闊的前景?；诹孔訉W(xué)理論可以大幅度較低材料的大小，使維數(shù)降低，所產(chǎn)生的量子尺寸效應(yīng)，量子干涉效應(yīng)和量子遂穿效應(yīng)更加明顯，可以為半導(dǎo)體材料的研發(fā)開(kāi)辟新的領(lǐng)域。

4? 結(jié)語(yǔ)

從第一代半導(dǎo)體材料發(fā)展到現(xiàn)階段的第三代半導(dǎo)體材料，電子科學(xué)技術(shù)得到了巨大的發(fā)展，同時(shí)也帶動(dòng)了周邊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為我國(guó)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。在新的時(shí)代，人們必然會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的要求逐步提高，相關(guān)的研究者也應(yīng)該積極面對(duì)時(shí)代的進(jìn)步，在原有技術(shù)上不斷創(chuàng)新，不斷改革，不斷生產(chǎn)出可以滿足各個(gè)行業(yè)需求的半導(dǎo)體材料。

參考文獻(xiàn)

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