半導(dǎo)體材料在電子科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用

朱泓達(dá)

(倫敦大學(xué)學(xué)院，倫敦 WC1H 0AQ)

半導(dǎo)體材料在社會(huì)建設(shè)和發(fā)展領(lǐng)域占據(jù)非常重要的地位，隨著第三代半導(dǎo)體的問世和不斷發(fā)展運(yùn)用，其整體性能有了明顯提高，電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域以及其他相關(guān)領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)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(dǎo)體材料在電子科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用作為重要研究課題，旨在推動(dòng)提升半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和實(shí)用性，使其實(shí)現(xiàn)在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的良好發(fā)展。

1 半導(dǎo)體材料在電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用及價(jià)值分析

半導(dǎo)體在電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)并運(yùn)用的早期階段，其材料就已經(jīng)進(jìn)入開發(fā)和探索階段。但是早期研發(fā)的半導(dǎo)體材料化學(xué)穩(wěn)定性比較差，以鍺元素(化學(xué)元素符號(hào)Ge)為例，鍺元素制作的半導(dǎo)體材料經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)材料變性問題，也容易與其他電子設(shè)備組件發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而反應(yīng)生成化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定的氧化物(氧化物價(jià)態(tài)一般為+4)，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的實(shí)際作用明顯降低。由于其自身的不穩(wěn)定特點(diǎn)，不適合在電子設(shè)備中運(yùn)用，造成了早期的整體發(fā)展速度相對(duì)遲緩，與電子科學(xué)技術(shù)的融合發(fā)展效果也不理想。

經(jīng)過多年的發(fā)展，半導(dǎo)體材料逐漸從配角轉(zhuǎn)變?yōu)橹鹘?，各個(gè)國家和地區(qū)都擴(kuò)大了半導(dǎo)體材料市場(chǎng)。整體來看其逐漸呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢(shì)。信息化時(shí)代的到來推動(dòng)了其發(fā)展，帶來了比較大契機(jī)，使半導(dǎo)體市場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)收益逐漸增長。半導(dǎo)體材料是制作半導(dǎo)體設(shè)備和集成電路的主要材料，因此在電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，也使整個(gè)科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)體系的格局發(fā)生了改變。隨著半導(dǎo)體材料的逐漸開發(fā)升級(jí)，其在各行各業(yè)的應(yīng)用價(jià)值逐漸增大。

2 半導(dǎo)體材料的主要分類

2.1 元素半導(dǎo)體材料

元素半導(dǎo)體材料是最早從化學(xué)元素周期表研發(fā)出來的材料，雖然多種元素都具有比較突出的導(dǎo)電性能，但是從整體上來看，許多元素的穩(wěn)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(dǎo)致可供作為半導(dǎo)體材料的化學(xué)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(dǎo)性，但是由于其形態(tài)并不穩(wěn)定(有穩(wěn)定的金屬形態(tài)和不穩(wěn)定的半導(dǎo)體形態(tài))，導(dǎo)致其在半導(dǎo)體材料中的運(yùn)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(dǎo)體材料，超純碲單晶是一種新型的半導(dǎo)體器件制造材料。目前，所有元素半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體器件制作和電子科技領(lǐng)域的創(chuàng)新與研發(fā)中，以鍺元素(Ge)、硅元素(Si)為主要代表，二者是運(yùn)用最為廣泛的，并呈迅速發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。

2.2 化合物半導(dǎo)體材料

化合物半導(dǎo)體材料分為無機(jī)化合物和有機(jī)化合物，但目前有機(jī)化合物半導(dǎo)體運(yùn)用仍然受限，因此廣義上的化合物半導(dǎo)體指的是無機(jī)化合物?；衔锇雽?dǎo)體材料分類較多，目前應(yīng)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(zhì)都是主要的半導(dǎo)體材料，在電子科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛。I族元素和VII族元素組成的化合物半導(dǎo)體材料也具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，如溴化亞銅等。還有一些比較復(fù)雜的三元系化合物半導(dǎo)體材料也是在電子科學(xué)技術(shù)中比較常用的半導(dǎo)體材料，如CuGaSe2等化合物。

3 半導(dǎo)體材料在電子科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用方向

3.1 碳化硅的應(yīng)用方向

碳化硅是目前比較常用的一種半導(dǎo)體材料，其自身的性能比較穩(wěn)定，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?yīng)。碳化硅主要通過人工合成的方式產(chǎn)生，其化學(xué)性能比較穩(wěn)定，具有比較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能和耐高溫特性，可以應(yīng)用在半導(dǎo)體器件制作中。碳化硅半導(dǎo)體材料能夠在半導(dǎo)體器件的制作中發(fā)揮重要作用，未來碳化硅有望用于第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的制作中。同時(shí)，碳化硅還能運(yùn)用于太陽能光伏發(fā)電、壓電晶體生產(chǎn)及其配套加工材料、航空航天等領(lǐng)域，如太陽能電池、電力系統(tǒng)運(yùn)輸及保護(hù)。還可以運(yùn)用于軍工生產(chǎn)中，如噴氣式飛機(jī)的剎車片、機(jī)身材料等方面。碳化硅的生產(chǎn)和應(yīng)用具有一定的環(huán)保性，符合構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展目標(biāo)。

3.2 氮化鎵的應(yīng)用方向

氮化鎵的熱量產(chǎn)生總量比較低，同時(shí)擊穿電場(chǎng)的效果比較好，是目前運(yùn)用在電子科學(xué)技術(shù)中比較常見的一種半導(dǎo)體材料。一方面，由于氮化鎵的熱量產(chǎn)生率低且散熱效果明顯，再加上其帶隙較寬，可以應(yīng)用于新型電子器件的制作中，如金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等半導(dǎo)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(shù)器件的生產(chǎn)制作，如藍(lán)光LED燈系統(tǒng)。其在電子計(jì)算機(jī)的光盤讀取技術(shù)、激光打印機(jī)技術(shù)等方面都有著比較多的應(yīng)用。各大電子器材制造商都逐漸將氮化硅運(yùn)用在電子科學(xué)技術(shù)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)工作中。另外，氮化硅半導(dǎo)體材料也在軍事工業(yè)方面的電子技術(shù)中有比較多的應(yīng)用，如導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的制造與設(shè)計(jì)。

3.3 砷化鎵的應(yīng)用方向

砷化鎵是目前應(yīng)用比較廣泛的半導(dǎo)體材料，屬于新型半導(dǎo)體材料，其在半導(dǎo)體材料中占據(jù)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(dǎo)體元素材料能夠更好地適應(yīng)高功率應(yīng)用環(huán)境，如手機(jī)的電路系統(tǒng)、集成電路領(lǐng)域、照明系統(tǒng)、遙感控制系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)中。經(jīng)過多年的發(fā)展與改進(jìn)，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(lǐng)域中，如電子激光制導(dǎo)導(dǎo)彈的制造。

3.4 氧化鋅的應(yīng)用方向

氧化鋅具有集成度較高、處理時(shí)間短、運(yùn)行功率低等特征，因此氧化鋅在光電領(lǐng)域和傳感器器件制造等方面有比較廣泛的應(yīng)用。氧化鋅的制作工藝具有比較簡(jiǎn)便、原材料易于獲取、制造成本比較低、對(duì)生態(tài)環(huán)境污染小、應(yīng)用效果明顯等優(yōu)勢(shì)，使得氧化鋅在半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域具有比較好的應(yīng)用前景，值得積極推廣。

4 結(jié)語

半導(dǎo)體材料的持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使我國整體科學(xué)技術(shù)水平有了較大的提升。市場(chǎng)對(duì)于半導(dǎo)體材料的需求量逐漸增大，尤其是在電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)于新型高效的半導(dǎo)體器件要求不斷提高。為了使半導(dǎo)體材料的性能更優(yōu)良，種類更加豐富，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)成本的有效控制，應(yīng)用前景變得更加廣闊。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在原有半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上完成優(yōu)化升級(jí)和創(chuàng)新，這樣才能使半導(dǎo)體材料種類更豐富，運(yùn)用范圍更廣，促使半導(dǎo)體材料能夠更好地運(yùn)用于電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。