半导体材料在电子科学技术中应用

　　摘要：目前，各个行业都在不断发展进步，在电子科学工业领域中，半导体材料是不可或缺的基础产品。不论现代社会如何发展，半导体材料的地位始终如初，从最初的硅、锗等材料，到后来的第三代半导体材料，材料的性能在不断提升，且随着技术的不断完善，材料的质量和性能也会日益提升，应用范围会更加广泛，本文就此进行了相关的阐述和分析。

　　关键词：半导体材料；电子科学技术；应用

　　0引言

　　所谓半导体材料，就是具有半导体性能，可以在半导体器件、集成电路的制作中应用的材料。半导体性能指的是材料的导电能力在导体和绝缘之间，电阻率为1mΩ·cm～1GΩ·cm。可以根据化学组成划分半导体材料的种类，可以将结构、性能具有同一属性的非晶体、液态半导体归为一类。据此半导体材料可以分为五类，分别是：元素半导体、无机化合物导体、有机化合物半导体、非晶态半导体、液态半导体。在电子科学中，可以根据具体的研究和应用需求选择相应种类的材料，充分发挥半导体材料的性能优势，促进我国电子科学技术水平的不断提升和进步。

　　1半导体材料的特性信息

　　1.1特性参数

　　半导体材料的种类虽然很多，但材料具有固有特性，也就是所谓的特性参数。该参数可以体现半导体材料的特殊性，使半导体材料之间可以有效的相互区分，也可以反映半导体材料之间在不同情况下的特性差异，即使使用相同的半导体材料，在不同的情况下也会出现不同的特性。常用半导体材料的特殊性参数包括：禁带宽度、载流子迁移率、非平衡载流子寿命，等等。半导体的电子态、原子组态可以决定禁带宽度，可以体现该材料原子中价从束缚状态激发需要多少能力才能到半自由状态。载流子迁移率则可以体现出材料的导电能力。非平衡载流子寿命可以体现出材料受到各类环境的影响，内部载流子从非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。根据半导体材料的特性参数，可以将材料广泛应用在电子科学技术中[1]。

　　1.2特性要求

　　在半导体材料的实际应用过程中，要充分考虑材料参数，因为参数与材料的用途有直接关系。①对于晶体管来说，其对半导体材料特性有明确的要求：根据具体的工作原理，其对非平衡载流子寿命和载流子迁移率有很高的要求。选用这两项特性参数较高的半导体材料制作晶体管，可以确保晶体管具有较高的频率。晶体缺陷会对晶体管特性造成影响，甚至导致晶体管失效。工作温度高温限与禁带宽度有关，禁带宽度大，晶体管温度高。②对于光电器材来说，其对材料特性有以下要求：禁带宽度与以半导体材料为基础的光电导性能的辐射探测器适用的辐射频率范围有关。如果材料的非平衡载流子寿命较大，则探测器灵敏度较高，二者为正比关系，同时光对探测器产生作用进而出现相应的时间也会相对较长。所以，很难既保障灵敏度，又控制弛豫时间。③在太阳能电池方面，为了保障转换频率，则对材料的非平衡载流子寿寿命、禁带宽度有很高的要求。晶体缺陷会影响半导体发光/激光二极管的发光效率，造成二者发光效率不足。④在温差电器材料方面，其对半导体材料特性参数有以下要求：为了提升电器件的转换率，需要先保障器件两端具有足够的温差[2]。在确定了低温处温度之后，温差大小则由高温处温度决定，也就是温差电器的工作温度。为了满足高温工作的需求，禁带宽度不需要过大，同时要保障材料具有足够的温差电动势率，对电阻率、热导率则需要控制，不需要过高。2半导体材料在电子科学技术中的应用特点

　　半导体材料就是具有半导体性能的材料，普遍在电子器件、电路制作中应用。目前，常用的半导体材料包括元素半导体、化合物半导体、固溶半导体。从目前已经发现的元素来看，大部分具有半导体特性的元素都介于金属和非金属元素之间，具有化学稳定性较差的特点，使用起来比较复杂。目前，常用的材料包括硅和锗。单元素半导体在应用的过程中局限性较大，为了满足使用需求，化合物半导体的研究逐渐受到人们的关注。相较于传统的半导体材料，此类半导体材料具有功耗较低、功能性强、抵抗辐射的能力强等使用优点，可以在各个领域范围内广泛应用。目前，砷化镓、氮化镓、碳化硅等材料是应用最广泛的化合物半导体材料。固溶半导体材料的应用也比较广泛，其组成元素超过两个，不仅固体溶液含量充足，且半导体特性较好。在固溶半导体材料使用的过程中，可以根据不同元素的化学价键进行设计，根据需求进行比例配置，通过控制固溶浓度来改变材料特性，进而得到更多种类的材料，使材料的应用有更多的选择。氮化镓半导体材料的发热量较低，击穿效果较强，普遍应用于高温大功率或高频等工作状态下。此外，该材料的带隙宽较宽，在LED蓝光方面的应用比较常见，在军工、光学探测等领域起到了巨大的作用。碳化硅则是一种比较常规的化合物半导体材料，其本身具有良好的导热性能，化学稳定性也相对较高，普遍应用于对散热要求高的工作条件下。目前，碳化硅在太阳能电池、发电传输、卫星通信等领域中发挥了巨大的作用。碳化硅虽然具有良好的性能，但我国缺少完整的产业链，因此该材料难以广泛应用。此外，在可持续发展战略实施的过程中，碳化硅属于新兴材料，其受到了广泛的关注和认可，未来应该会有良好的发展前景。氧化锌半导体材料近年来也开始广泛应用，尤其在传感技术发展之后，该材料受到了广泛的关注和重视。该材料具有很多应用优势，如功耗较低、灵敏性较高等等。不仅如此，该材料的原材料容易获取，且成本不高，与可持续发展的战略相符，也具有广泛的应用前景。

　　3半导体材料在电子科学技术中的应用现状

　　3.1光子晶体

　　光子晶体是一种人造周期性电介质结构，根据不同折射率的介质周期性进行排列，进而形成一种人工微结构。光子晶体也可以说是光子禁带材料，从结构角度来看，该材料在光学尺度上具有周期性介电结构，是一种人工设计和制造的晶体。其接近与半导体晶格对电子波函数的调制，该材料可以对电子波进行调制，在电磁波在该材料中传播的过程中，受到布拉格散射的影响，能够达到调制的效果，能带结构由电磁波能量形成。能带和能带之间存在带隙，即光子带隙。根据该材料光子禁带在空间中的维数，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。随着科技的进步和发展，光子晶体的应用愈加广泛，利用该材料生产的产品越来越多。而电子产品受到体积、成本等因素的限制，很难在技术、工艺等方面进行突破和创新。所以，现在越来越多的人开始关注提升光子晶体材料的应用效果，使其可以在各个领域中广泛应用。目前来看，已经有很多以光子晶体为基础研制的光子学器件，包括无阈值激光器、无损耗反射镜等。在国际上，光子晶体的应用愈加广泛，结合纳米技术，在微米级激光制造中发挥了巨大的作用，研制出了硅基激光。结合量子点，原子和光子之间会产生相互作用，进而对材料性质造成影响，具有减小光速、吸收等效果。

　　3.2砷化镓单晶材料

　　砷化镓单晶材料在电光材料、微型电子中的应用比较广泛，具有良好的应用效果。因为其具有较强的耐高温、抗辐射等能力，符合这两项产品的工作要求。砷化镓集成电路在经济和国防建设中发挥了巨大的作用，其无法使用硅集成电路来替代。主要在通信卫星、移动通信、光通信、微型超级计算机中广泛应用。砷化镓的熔点为1238℃，在低于600℃的空气中，该材料具有一定的稳定性，不会受到非氧化性的酸侵蚀[3]。该材料的晶格常数为5.65×10-10m，禁带宽度为1.4eV。早在1964年，该材料就已经进入使用阶段，作为半导体材料，其具有高频、高温、噪音小、抗辐射能力强等优点。虽然其应用优势较多，但也具有一定的缺陷，即在晶体三极管制作的过程中，放大倍数较小、缺少导热性、难以用于制作功率插件，等等。虽然砷化镓的性能比较优越，但对分解温度的要求较高，要生产出配比比较理想的单晶材料具有一定的技术难度。

　　3.3半导体硅材料

　　半导体硅材料的应用比较广泛，其普遍在电子产业中应用，是集成电路的主要材料。在高温的作用下，该材料会和氧发生反应，进而生成无定形二氧化硅层，在器件生产的过程中，该材料普遍在掩蔽层、隔离层中应用。硅与酸不相溶，但会溶于NHO3。可以与HF制作混合腐蚀溶液，硅可以在加温的硅溶液中溶解，采用等离子腐蚀技术，也可以对硅进行腐蚀处理。硅可以分为晶态和非晶态两种状态，在常温之下，硅单晶的介电系数为11.7，光折射率较高，会有巨大的反射损失。为了提升透过率，可以涂减反射膜。如果硅中具有较高的杂质，则会影响光的吸收。

　　4半导体材料在电子科学技术中的应用前景

　　电子科学技术领域中，半导体材料早已广泛应用，并且发挥了十分显著的作用。最早期的半导体材料为硅和锗，在很大程度上促进了电子科学技术的发展，普遍在低压、低频、低功耗的集成电路中应用。在科技发展的过程中，硅半导体材料的应用限制越来越高，砷化镓、磷化铟是比较常用的半导体材料，主要应用于信息产业。砷化镓具有更高的电子迁移率，且带隙宽度较大，可以在高频、高速的环境下工作，所以相较于硅材料，该材料更加适用于通信行业。但是，此类半导体材料的应用弊端也十分明显，即禁带宽度仍旧需要提升，且击穿电场不够高，在高温、高频率的环境下工作还存在许多问题。不仅如此，砷化镓具有毒性，不仅会污染环境，还会危害人体健康。针对此类材料的局限性，可以对半导体材料进行进一步的研究，着重增加半导体材料的带隙宽度，强化击穿电场和抗辐射能力，增强热导率、电子饱和速率等特性，在这些要求下，第三代半导体材料应运而生。此类材料在高温环境下的运行状态比较稳定，消耗的电能相对较小，具有较高的运行效率，即使在高电压、高频率的状态下也能稳定运行。未来半导体材料的应用还会进一步加深，新型半导体材料会越来越多[4]。在研究和发展的过程中，不仅要加强新材料的研制，还要对已有材料进行改良和优化。例如，可以适当缩减器件尺寸，强化电路集成度，控制材料功耗，等等。在新材料研发的过程中，要对应用需求、性能、环保等要素进行分析。金刚石材料的性能更佳，可以在恶劣环境和状态下运行，但当前技术还比较薄弱，单晶薄膜生长问题难以解决，制作金刚石半导体材料的难度较大。除了金刚石之外，量子领域结合半导体材料的研究也比较活跃，具有广泛的发展前景[5]。

　　5结语

　　综上所述，随着电子科学技术的发展，传统的半导体材料已经逐渐不适用于现代电子科技领域，需要对材料进行更加深入的研究与开发。第三代半导体材料在电子科技领域中发挥了极大的作用，但同时也依旧存在一些应用弊端，需要对技术、工艺进行更深入的研究，促进多个领域的融合，生产更多性能优良的半导体材料。

　　参考文献

　　[1]钱晨.简论电子科学技术中的半导体材料发展趋势[J].新商务周刊,2018(01):162.

　　[2]钟佳媛.浅析电子科学技术中的半导体材料发展趋势[J].数码世界,2019(05):13.

　　[3]李萌.探讨电子科学技术中半导体材料发展[J].魅力,2018(24):225,227.

　　[4]旦增平措.半导体技术发展过程中的基本研究分析[J].电子元器件与信息技术,2018,(11):32-34,82.

　　[5]彭强.半导体技术发展过程中的基本研究分析[J].电子制作,2018(Z2):140-141.

　　杨曜光