美國賓夕法尼亞州的利哈伊大學(xué)（Lehigh University）的材料科學(xué)與工程系助理教授Siddha Pimputkar博士獲得了來自DEVCOM陸軍研究實驗室的110萬美元資助。這筆資金將用于開發(fā)用于雷達(dá)系統(tǒng)的超寬帶隙（UWBG）半導(dǎo)體材料。

Siddha Pimputkar 教授

雷達(dá)設(shè)備的軍事應(yīng)用對于信號傳輸?shù)木嚯x和效率提出了極高的要求。然而，開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的新材料是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。Pimputkar博士接受了這一挑戰(zhàn)，并指出，“美國陸軍對射頻發(fā)射器和雷達(dá)系統(tǒng)表現(xiàn)出了極大的興趣，這些系統(tǒng)能夠以更高的功率和頻率運行，從而深入戰(zhàn)場。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要更先進(jìn)的半導(dǎo)體材料和技術(shù)。”

當(dāng)前，硅作為電子行業(yè)的首選半導(dǎo)體，已經(jīng)主導(dǎo)了數(shù)十年的信息化發(fā)展，為現(xiàn)代科技生活提供了強大的底層支持。但是，硅基半導(dǎo)體在高功率和高溫環(huán)境下的性能受限，這促使人們尋找新的半導(dǎo)體材料。

Pimputkar博士表示：“雖然硅基半導(dǎo)體可以使用，但并非理想之選。我們正在探索新的合成方法，以制造出性能更優(yōu)的材料，以便在高功率下更有效地轉(zhuǎn)換電能。”

全球范圍內(nèi)，新型半導(dǎo)體的開發(fā)已經(jīng)成為了共識，目標(biāo)是使其在更廣泛的應(yīng)用中表現(xiàn)更佳，包括在更高溫度下使用、處理更高頻率和更大電壓的切換。寬帶隙和超寬帶隙半導(dǎo)體材料因此受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。這些材料的帶隙是硅的三倍以上，能夠提供更高的能源效率和更快的設(shè)備速度。

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是目前研究最為廣泛的兩種寬帶隙半導(dǎo)體材料。GaN材料不僅在軍用雷達(dá)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，還廣泛用于5G網(wǎng)絡(luò)、電動汽車和消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

盡管GaN和SiC等寬帶隙材料的應(yīng)用還處于初期階段，但軍方已經(jīng)開始尋求更先進(jìn)的材料，作為下一代的備用技術(shù)。2020年，美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部/陸軍研究實驗室/美國陸軍研究辦公室（ARO）啟動了超寬帶隙射頻電子器件的開發(fā)提案征集。

超寬帶隙半導(dǎo)體材料的帶隙超過3.4電子伏特，包括金剛石、氮化鋁鎵（Al1-xGaxN）、氮化鋁AlN、氧化鎵（β-Ga2O3）、氮化硼(BN)等。Pimputkar博士指出，“超寬帶隙材料是否能夠超越GaN和SiC的表現(xiàn)是我們當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。我們正在研究的這些材料曾被認(rèn)為是絕緣體，但若我們能夠控制其中的電子濃度，它們就可以被視為超寬帶隙半導(dǎo)體。”

盡管金剛石因其卓越的性能而被視為理想的半導(dǎo)體材料，但將其應(yīng)用于實際半導(dǎo)體制造過程中卻面臨著諸多挑戰(zhàn)，如表面拋光和摻雜問題。

在探索替代的超寬帶隙半導(dǎo)體材料時，Siddha Pimputkar教授指出，立方氮化硼（c-BN）在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力不容忽視。這種化合物的原子結(jié)構(gòu)與金剛石相似，且具有更寬的帶隙，達(dá)到6.4電子伏特，相比之下金剛石的帶隙為5.5電子伏特。

氮化硼是由氮原子和硼原子以1:1的比例組成的化合物，其兩種主要的晶體形態(tài)分別是六方氮化硼（α-BN）和立方氮化硼（β-BN）。六方氮化硼的結(jié)構(gòu)類似于石墨，是一種優(yōu)秀的潤滑劑，而立方氮化硼則擁有與鉆石相似的結(jié)構(gòu)，硬度僅略低于金剛石，但在耐高溫性能上卻更勝一籌。

立方氮化硼在多個領(lǐng)域都顯示出卓越的性能，包括機械、熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)和電子學(xué)。其硬度高達(dá)5000千克/平方毫米（顯微維氏硬度70千帕），且隨著尺寸的減小，硬度會顯著增加，因此在超硬材料加工和耐磨材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；其熱導(dǎo)率為1300W·m-1·K-1，熱膨脹系數(shù)與硅和砷化鎵相近，使其成為理想的散熱材料；此外，通過摻雜，立方氮化硼可以獲得n型或p型半導(dǎo)體材料，具有極高的性能參數(shù)，6.4eV超寬帶隙、ε0=7.1低介電常數(shù)、8MV·cm-1高擊穿場強。同時，它比金剛石具有更好的熱穩(wěn)定性和高溫化學(xué)惰性，因此在高溫、高功率、高頻電子設(shè)備和光學(xué)裝置的應(yīng)用前景廣闊。

這意味著c-BN有望在更為極端的條件下工作，并能夠承受更高的電壓和電流。電壓越高，輸出相同功率所需的電流就越小，這類似于輸電線路，我們希望在盡可能高的電壓下運行，以減少電流流動，從而降低系統(tǒng)效率低下引起的能耗。這進(jìn)一步允許人們重新考慮電路的整個構(gòu)成，減少電力轉(zhuǎn)換器的尺寸，并降低成本。

然而，c-BN自身也面臨著挑戰(zhàn)，即如何實現(xiàn)c-BN晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)，以滿足半導(dǎo)體制造的需求。

目前，制備塊狀單晶c-BN的工藝與合成金剛石的方法相似，均需在高壓和高溫條件下進(jìn)行。盡管高溫高壓法仍是制備c-BN晶體的常用手段，但由于技術(shù)和條件的限制，所得到的c-BN晶體尺寸較小，通常僅有幾毫米大小，且生產(chǎn)成本較高，這些問題制約了科研人員對c-BN單晶的深入研究及其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，將c-BN作為半導(dǎo)體材料所面臨的挑戰(zhàn)主要包括：1、亟待改進(jìn)技術(shù)以制備大尺寸的c-BN單晶，以滿足生產(chǎn)需求；2、c-BN和h-BN的相對穩(wěn)定性問題尚未得到明確解決；3、襯底與材料之間的晶格和熱失配導(dǎo)致的異質(zhì)外延生長問題，包括生長模式、應(yīng)力控制和釋放等；4、立方相成核所需的高能離子轟擊導(dǎo)致的膜內(nèi)應(yīng)力較大，限制了薄膜的厚度和降低了缺陷密度；5、c-BN的外延生長機制尚不明確。

Siddha Pimputkar教授指出：“對于電子器件而言，只需要幾厘米或幾英寸的晶體即可制造出所需的晶圓。我想要找到一種方法，利用能夠真正擴(kuò)展到工業(yè)水平的工藝來生長c-BN。”

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，研究者們正在探索兩條路徑。一是開發(fā)一種新工藝，該工藝所需的壓力較小，用于生長c-BN；二是讓c-BN晶體生長到足夠大的尺寸，然后利用這些晶體制造出能夠測量c-BN中電子飽和速度的器件。然而，到目前為止，人們僅能通過計算方法完成這項工作。

Pimputkar教授表示：“從品質(zhì)因數(shù)來看，c-BN無疑是最好的。但現(xiàn)在，我們能否制造出c-BN器件來證實c-BN材料的預(yù)示特性呢？目前還沒有人成功做到這一點。”

Pimputkar教授的想法是從c-BN的晶種出發(fā)，利用新的合成途徑和適當(dāng)?shù)拇呋瘎┰谄浔砻娉练e更多氮化硼，從而實現(xiàn)低壓生長c-BN的工藝。他認(rèn)為這種方法可以產(chǎn)出所需的立方晶體結(jié)構(gòu)，而不僅僅是更容易生長的六方結(jié)構(gòu)。

Pimputkar教授指出：“雖然六方氮化硼（h-BN）本身是一種極好的材料，但我們正在研究如何發(fā)掘出立方氮化硼的潛力。”

Pimputkar教授的實驗室曾獲得美國國家科學(xué)基金會CAREER獎的資助，這使得他的團(tuán)隊能夠建立起關(guān)于氮化物生長工藝的專業(yè)知識。該實驗室研究c-BN生長問題已有約一年半的時間，美國陸軍最初的三年資助期已過半，后續(xù)還可再延長兩年。

Pimputkar教授說：“早期結(jié)果令人鼓舞。實驗已經(jīng)證實了h-BN的生長，它與石墨烯相似且互補，石墨烯是一種二維‘超級材料’，研究人員于2010年因這種材料而榮獲諾貝爾獎。我們的目標(biāo)更加長遠(yuǎn)，我們正試圖弄清生長c-BN而不是h-BN，究竟需要什么。我們的目標(biāo)是進(jìn)行概念驗證，然后展示厘米級的c-BN晶體，讓人們進(jìn)一步測試其未來潛力。這是一項高風(fēng)險、高回報的工作。”