半导体材料是导电性介于导体（如金属）和绝缘体（如陶瓷）之间的功能性材料，其电学特性可通过掺杂、电场或光照调控，成为集成电路、光电器件和功率器件的核心基础。以下从材料体系、特性、应用及前沿发展展开系统介绍：

1. 半导体材料分类

(1) 按成分与结构

元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）等，硅占全球半导体市场95%以上。

化合物半导体：

III-V族（GaAs、GaN、InP）：高频、光电特性优，用于5G、激光器。

II-VI族（ZnSe、CdTe）：光电器件（如红外探测）。

宽禁带半导体（SiC、GaN）：耐高压高温，适用于新能源车、快充。

有机半导体：柔性电子、OLED显示。

(2) 按形态

单晶材料（硅晶圆、SOI）：高纯度、低缺陷，主流集成电路基材。

多晶/非晶材料（多晶硅、α-Si）：成本低，用于光伏、显示面板。

2. 关键特性参数

特性意义典型材料示例

禁带宽度（Eg） 决定导电性与光电响应 Si（1.12eV）、GaN（3.4eV）

电子迁移率 影响器件速度 GaAs（8500 cm²/V·s） > Si（1400）

热导率 散热能力关键 SiC（4.9 W/cm·K） > Si（1.5）

击穿电场 耐高压能力 GaN（3.3 MV/cm） > Si（0.3）

3. 主流半导体材料及应用

(1) 硅（Si）

优势：成本低、工艺成熟、氧化物稳定（SiO₂）。

应用：逻辑芯片（CPU/GPU）、存储器（DRAM/NAND）。

(2) 砷化镓（GaAs）

优势：高频低噪、光电效率高。

应用：射频前端（5G）、卫星通信、激光二极管。

(3) 碳化硅（SiC） & 氮化镓（GaN）

优势：宽禁带、耐高温高压、高效能量转换。

应用：电动车逆变器（SiC）、快充充电器（GaN）。

(4) 氧化铟锡（ITO） & 新型透明半导体

应用：触摸屏、柔性显示（可替代材料：石墨烯、金属网格）。

4. 前沿材料与趋势

(1) 二维半导体材料

二硫化钼（MoS₂）：原子级厚度，适用于1nm以下晶体管。

石墨烯：超高迁移率，但缺乏带隙，需改性应用。

(2) 拓扑绝缘体

特性：体相绝缘、表面导电，有望用于自旋电子器件。

(3) 钙钛矿半导体

应用：低成本高效率太阳能电池（实验室效率>25%）。

(4) 生物半导体

DNA/蛋白质基材料：可降解电子设备、生物传感器。

5. 半导体材料制备技术

单晶生长：CZ法（硅）、MBE（化合物半导体）。

薄膜沉积：CVD（SiC）、MOCVD（GaN）。

晶圆加工：切割、抛光、外延（Epitaxy）。