超越金刚石！美国利哈伊大学：开发新型半导体材料，为更高效的军事雷达系统提供动力

发布时间：

2024-07-04

美国宾夕法尼亚州的利哈伊大学（Lehigh University）的材料科学与工程系助理教授Siddha Pimputkar博士获得了来自DEVCOM陆军研究实验室的110万美元资助。这笔资金将用于开发用于雷达系统的超宽带隙（UWBG）半导体材料。Siddha Pimputkar 教授雷达设备的军事应用对于信号传…

美国宾夕法尼亚州的利哈伊大学（Lehigh University）的材料科学与工程系助理教授Siddha Pimputkar博士获得了来自DEVCOM陆军研究实验室的110万美元资助。这笔资金将用于开发用于雷达系统的超宽带隙（UWBG）半导体材料。

Siddha Pimputkar 教授

雷达设备的军事应用对于信号传输的距离和效率提出了极高的要求。然而，开发能够实现这一目标的新材料是一项极具挑战性的任务。Pimputkar博士接受了这一挑战，并指出，“美国陆军对射频发射器和雷达系统表现出了极大的兴趣，这些系统能够以更高的功率和频率运行，从而深入战场。为了实现这一目标，我们需要更先进的半导体材料和技术。”

究竟哪种半导体材料能够扛起大旗？

当前，硅作为电子行业的首选半导体，已经主导了数十年的信息化发展，为现代科技生活提供了强大的底层支持。但是，硅基半导体在高功率和高温环境下的性能受限，这促使人们寻找新的半导体材料。

Pimputkar博士表示：“虽然硅基半导体可以使用，但并非理想之选。我们正在探索新的合成方法，以制造出性能更优的材料，以便在高功率下更有效地转换电能。”

全球范围内，新型半导体的开发已经成为了共识，目标是使其在更广泛的应用中表现更佳，包括在更高温度下使用、处理更高频率和更大电压的切换。宽带隙和超宽带隙半导体材料因此受到了业界的广泛关注。这些材料的带隙是硅的三倍以上，能够提供更高的能源效率和更快的设备速度。

氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）是目前研究最为广泛的两种宽带隙半导体材料。GaN材料不仅在军用雷达系统中得到应用，还广泛用于5G网络、电动汽车和消费电子产品等领域。

尽管GaN和SiC等宽带隙材料的应用还处于初期阶段，但军方已经开始寻求更先进的材料，作为下一代的备用技术。2020年，美国陆军作战能力发展司令部/陆军研究实验室/美国陆军研究办公室（ARO）启动了超宽带隙射频电子器件的开发提案征集。

超宽带隙半导体材料的带隙超过3.4电子伏特，包括金刚石、氮化铝镓（Al1-xGaxN）、氮化铝AlN、氧化镓（β-Ga2O3）、氮化硼(BN)等。Pimputkar博士指出，“超宽带隙材料是否能够超越GaN和SiC的表现是我们当前面临的主要挑战。我们正在研究的这些材料曾被认为是绝缘体，但若我们能够控制其中的电子浓度，它们就可以被视为超宽带隙半导体。”

超越金刚石

尽管金刚石因其卓越的性能而被视为理想的半导体材料，但将其应用于实际半导体制造过程中却面临着诸多挑战，如表面抛光和掺杂问题。

在探索替代的超宽带隙半导体材料时，Siddha Pimputkar教授指出，立方氮化硼（c-BN）在电力电子领域的应用潜力不容忽视。这种化合物的原子结构与金刚石相似，且具有更宽的带隙，达到6.4电子伏特，相比之下金刚石的带隙为5.5电子伏特。

氮化硼是由氮原子和硼原子以1:1的比例组成的化合物，其两种主要的晶体形态分别是六方氮化硼（α-BN）和立方氮化硼（β-BN）。六方氮化硼的结构类似于石墨，是一种优秀的润滑剂，而立方氮化硼则拥有与钻石相似的结构，硬度仅略低于金刚石，但在耐高温性能上却更胜一筹。

立方氮化硼在多个领域都显示出卓越的性能，包括机械、热学、光学、化学和电子学。其硬度高达5000千克/平方毫米（显微维氏硬度70千帕），且随着尺寸的减小，硬度会显著增加，因此在超硬材料加工和耐磨材料领域有着广泛的应用；其热导率为1300W·m-1·K-1，热膨胀系数与硅和砷化镓相近，使其成为理想的散热材料；此外，通过掺杂，立方氮化硼可以获得n型或p型半导体材料，具有极高的性能参数，6.4eV超宽带隙、ε0=7.1低介电常数、8MV·cm-1高击穿场强。同时，它比金刚石具有更好的热稳定性和高温化学惰性，因此在高温、高功率、高频电子设备和光学装置的应用前景广阔。

这意味着c-BN有望在更为极端的条件下工作，并能够承受更高的电压和电流。电压越高，输出相同功率所需的电流就越小，这类似于输电线路，我们希望在尽可能高的电压下运行，以减少电流流动，从而降低系统效率低下引起的能耗。这进一步允许人们重新考虑电路的整个构成，减少电力转换器的尺寸，并降低成本。

然而，c-BN自身也面临着挑战，即如何实现c-BN晶圆的大规模生产，以满足半导体制造的需求。

长晶难题如何解决？

目前，制备块状单晶c-BN的工艺与合成金刚石的方法相似，均需在高压和高温条件下进行。尽管高温高压法仍是制备c-BN晶体的常用手段，但由于技术和条件的限制，所得到的c-BN晶体尺寸较小，通常仅有几毫米大小，且生产成本较高，这些问题制约了科研人员对c-BN单晶的深入研究及其在各个领域的应用。

目前，将c-BN作为半导体材料所面临的挑战主要包括：1、亟待改进技术以制备大尺寸的c-BN单晶，以满足生产需求；2、c-BN和h-BN的相对稳定性问题尚未得到明确解决；3、衬底与材料之间的晶格和热失配导致的异质外延生长问题，包括生长模式、应力控制和释放等；4、立方相成核所需的高能离子轰击导致的膜内应力较大，限制了薄膜的厚度和降低了缺陷密度；5、c-BN的外延生长机制尚不明确。

Siddha Pimputkar教授指出：“对于电子器件而言，只需要几厘米或几英寸的晶体即可制造出所需的晶圆。我想要找到一种方法，利用能够真正扩展到工业水平的工艺来生长c-BN。”

为实现这一目标，研究者们正在探索两条路径。一是开发一种新工艺，该工艺所需的压力较小，用于生长c-BN；二是让c-BN晶体生长到足够大的尺寸，然后利用这些晶体制造出能够测量c-BN中电子饱和速度的器件。然而，到目前为止，人们仅能通过计算方法完成这项工作。

Pimputkar教授表示：“从品质因数来看，c-BN无疑是最好的。但现在，我们能否制造出c-BN器件来证实c-BN材料的预示特性呢？目前还没有人成功做到这一点。”

Pimputkar教授的想法是从c-BN的晶种出发，利用新的合成途径和适当的催化剂在其表面沉积更多氮化硼，从而实现低压生长c-BN的工艺。他认为这种方法可以产出所需的立方晶体结构，而不仅仅是更容易生长的六方结构。

Pimputkar教授指出：“虽然六方氮化硼（h-BN）本身是一种极好的材料，但我们正在研究如何发掘出立方氮化硼的潜力。”

Pimputkar教授的实验室曾获得美国国家科学基金会CAREER奖的资助，这使得他的团队能够建立起关于氮化物生长工艺的专业知识。该实验室研究c-BN生长问题已有约一年半的时间，美国陆军最初的三年资助期已过半，后续还可再延长两年。

Pimputkar教授说：“早期结果令人鼓舞。实验已经证实了h-BN的生长，它与石墨烯相似且互补，石墨烯是一种二维‘超级材料’，研究人员于2010年因这种材料而荣获诺贝尔奖。我们的目标更加长远，我们正试图弄清生长c-BN而不是h-BN，究竟需要什么。我们的目标是进行概念验证，然后展示厘米级的c-BN晶体，让人们进一步测试其未来潜力。这是一项高风险、高回报的工作。”