美國利哈伊大學（LehighUniversity）材料科學與工程系助理教授Siddha Pimputkar獲得DEVCOM陸軍研究實驗室110萬美元的資金，借此研發用于射頻的超寬帶隙（UWBG）半導體材料。
Siddha Pimputkar 教授
能夠將信號傳輸到更遠區域的雷達設備，其軍事優勢顯而易見。但如何開發新材料實現這一目標是非常困難的。
對此，利哈伊大學材料科學與工程系助理教授Siddha Pimputkar接受的挑戰，并表示，“陸軍對射頻發射器、雷達系統很感興趣，它們能以更高的功率和頻率工作，因此可以深入戰場。要做到這一點，就需要更好的半導體材料以及更先進的半導體技術?！?/span>
? ?究竟哪種半導體材料能夠扛起大旗？
半導體材料的迭代更新是科技進步的重要標志，每一代新材料的誕生都為電子產業帶來了新的應用可能性。
過去數十年間，硅一直是電子領域的首選半導體，引領信息化浪潮，為科技化生活提供了存儲、運算、網絡、智能的多維度底層支撐。這主要是因為其儲量豐富、晶體質量極高，并且能“摻雜”容易，即通過引入雜質來控制其電學特性。
然而在某些特定領域如高功率、高溫等環境下，硅基半導體仍存在一定的局限性。那么究竟哪種半導體材料能夠扛起大旗？
Pimputkar說：“硅基半導體可以用，但并不理想。我們正在研究新的合成途徑，制造具有優越性能的材料，以便在更高功率下轉換電能?！?/span>
近年來，開發新型半導體，使其能夠在多種應用中獲得更好的性能，包括在更高的溫度下使用、處理更高的頻率和切換更大的電壓，已成為全世界共識。
寬帶隙和超寬帶隙半導體材料走人業界視野。這類新材料的特點是具有更寬的帶隙，即電子不導電的低能級與被激活為導體的高能級之間的能隙。這些材料的帶隙大約是硅的三倍及以上，可提供更高的能源效率和更快的設備速度。
目前廣泛研究的主要是兩種“寬帶隙”（WBG）半導體材料：氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）。特別是GaN材料，除了當前的軍用雷達系統中使用外，它們還在 5G 網絡、電動汽車和消費電子產品等領域得到更廣泛的應用。
盡管GaN和SiC等寬帶隙材料仍處于相對早期的應用階段，但軍方已開始尋求性能更加優異的材料作為下一代儲備技術。2020年，美國陸軍作戰能力發展司令部/陸軍研究實驗室/美國陸軍研究辦公室（ARO）發出了開發超寬帶隙射頻電子器件的提案征集。超寬禁帶半導體材料的帶隙大于3.4eV，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。Siddha Pimputkar教授表示：“目前的挑戰是，超寬帶隙材料能否比GaN和SiC表現更好？我們現在談論的材料曾被認定為絕緣體，但如果我們能夠控制其中的電子濃度，就可以將它們視為超寬帶隙半導體?！?/span>???超越金剛石
金剛石材料被業界譽為終極半導體，但將其作為半導體材料仍面臨巨大挑戰，包括拋光平坦化、摻雜等難題。在尋找合適的超寬帶隙半導體材料的過程中，Siddha Pimputkar教授認為，“另一種材料立方氮化硼 (c-BN) 最有潛力應用于電力電子領域。該化合物的原子排列結構與金剛石相似，帶隙為 6.4 eV，而金剛石為 5.5 eV，因此該材料的帶隙更寬?！?/span>據了解，氮化硼，這種由氮原子和硼原子以1:1比例組成的化合物，其化學式為BN，氮化硼的兩大明星形態分別是六方氮化硼（α-BN）和立方氮化硼（β-BN）。前者結構類似于石墨，是絕佳的潤滑劑，而后者結構與鉆石相似，硬度僅次于金剛石，但其耐高溫性能卻優于鉆石。立方氮化硼也是全能型選手，在機械、熱學、光學、化學、電子學方面均擁有優異性能。其硬度為5000kg/mm2（顯微維氏硬度70Gpa），且硬度隨尺寸減小急劇上升，被廣泛應用于超硬材料加工、刀具、耐磨材料；熱導率為1300W·m-1·K-1，擁有與Si、GaAs接近的熱膨脹系數，使之能夠成為很好的熱沉材料；此外，立方氮化硼可通過摻雜獲得n型或p型半導體材料，性能參數極高（6.4eV超寬帶隙、ε0=7.1低介電常數、8MV·cm-1高擊穿場強），同時它擁有比金剛石更好的熱穩定性及高溫化學惰性，在高溫、高功率、高頻電子設備和光學裝置方面擁有不錯的前景。這也意味著，cBN有潛力在更極端的條件下工作，并且可以耐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。就像輸電線路一樣，我們希望在盡可能高的電壓下運行，以減少通過系統的電流量，從而減少由于系統效率低下而產生的能耗。這反過來又允許人們消除或重新設想電路的整個組成部分，從而減少這些電力轉換器的尺寸，從而降低其成本。
但是，c-BN自身也面臨挑戰，即如何以生產晶圓所需的晶體尺寸生長c-BN。目前，生長塊狀單晶c-BN的工藝與合成金剛石的工藝過程類似，都需要高壓和高溫。截止目前，高溫高壓法仍是制備c-BN晶體的常用方法，但是由于制備條件和技術的限制存在晶粒尺寸小，通常得到的c-BN晶體只有幾毫米大小。以及生產成本高的問題，這也阻礙了科研人員對c-BN單晶的進一步研究及其在各領域的應用。目前來說，將c-BN作為半導體材料存在的挑戰主要有：1、大尺寸c-BN單晶制備，急需尋求技術的改進，以適用生產需求；2、c-BN和h-BN的相對穩定性一直存在爭議，關于二者的相對穩定性仍未得到統一；3、襯底與材料之間晶格失配和熱失配引起的異質外延中的生長模式、應力控制與釋放；4、由于立方相成核必需的高能離子轟擊導致膜內應力較大，薄膜厚度有限且缺陷密度較高等；5、有關c-BN的外延生長機制依然不明。Siddha Pimputkar表示：“對電子器件而言，只需要幾厘米或幾英寸的晶體即可制造晶圓。我想找到一種方法，利用能夠真正擴展到工業水平的工藝來生長c-BN?！?/span>實現這一目標有兩條途徑。一是使用一種所需壓力較小的新工藝來生長c-BN。二是讓c-BN晶體生長得足夠大，再用其制造出一種能夠測量c-BN中電子飽和速度的器件，但迄今為止，人們只能通過計算方法完成這項工作。Siddha Pimputkar表示：“從品質因數來看，c-BN是最好的。但現在，我們能否制造出c-BN器件來證實c-BN材料的預示特性呢？目前還沒有人成功做到這一點。”Siddha Pimputkar的想法是，從c-BN的晶種開始，利用新的合成途徑和適當的催化劑在其表面沉積更多氮化硼，就可以實現低壓生長c-BN的工藝。他認為此方法可以產出所需的立方晶體結構，而不僅僅是更容易生長的六方結構。Siddha Pimputkar表示：“雖然六方氮化硼（h-BN）本身就是一種極好的材料，但我們正在研究如何發掘出立方氮化硼。”Siddha Pimputkar曾獲得美國國家科學基金會CAREER獎，得益于此，他的實驗室已建立起研究氮化物生長工藝的專業知識。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，后續還可再延長兩年。Siddha Pimputkar表示：“早期結果令人鼓舞。實驗已證實 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。我們的目標更加長遠，我們正試圖弄清生長c-BN而不是h-BN，究竟需要什么。我們的目標是進行概念驗證，然后展示厘米級c-BN晶體，讓人們進一步測試其未來潛力。這是一項高風險、高回報的工作。”第八屆國際碳材料大會暨產業展覽會——金剛石前沿論壇
