美国利哈伊大学（LehighUniversity）材料科学与工程系助理教授Siddha Pimputkar获得DEVCOM陆军研究实验室110万美元的资金，借此研发用于射频的超宽带隙（UWBG）半导体材料。
Siddha Pimputkar 教授
能够将信号传输到更远区域的雷达设备，其军事优势显而易见。但如何开发新材料实现这一目标是非常困难的。
对此，利哈伊大学材料科学与工程系助理教授Siddha Pimputkar接受的挑战，并表示，“陆军对射频发射器、雷达系统很感兴趣，它们能以更高的功率和频率工作，因此可以深入战场。要做到这一点，就需要更好的半导体材料以及更先进的半导体技术。”
究竟哪种半导体材料能够扛起大旗？
半导体材料的迭代更新是科技进步的重要标志，每一代新材料的诞生都为电子产业带来了新的应用可能性。
过去数十年间，硅一直是电子领域的首选半导体，引领信息化浪潮，为科技化生活提供了存储、运算、网络、智能的多维度底层支撑。这主要是因为其储量丰富、晶体质量极高，并且能“掺杂”容易，即通过引入杂质来控制其电学特性。
然而在某些特定领域如高功率、高温等环境下，硅基半导体仍存在一定的局限性。那么究竟哪种半导体材料能够扛起大旗？
Pimputkar说：“硅基半导体可以用，但并不理想。我们正在研究新的合成途径，制造具有优越性能的材料，以便在更高功率下转换电能。”
近年来，开发新型半导体，使其能够在多种应用中获得更好的性能，包括在更高的温度下使用、处理更高的频率和切换更大的电压，已成为全世界共识。
宽带隙和超宽带隙半导体材料走人业界视野。这类新材料的特点是具有更宽的带隙，即电子不导电的低能级与被激活为导体的高能级之间的能隙。这些材料的带隙大约是硅的三倍及以上，可提供更高的能源效率和更快的设备速度。
目前广泛研究的主要是两种“宽带隙”（WBG）半导体材料：氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。特别是GaN材料，除了当前的军用雷达系统中使用外，它们还在 5G 网络、电动汽车和消费电子产品等领域得到更广泛的应用。
尽管GaN和SiC等宽带隙材料仍处于相对早期的应用阶段，但军方已开始寻求性能更加优异的材料作为下一代储备技术。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）发出了开发超宽带隙射频电子器件的提案征集。超宽禁带半导体材料的带隙大于3.4eV，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。Siddha Pimputkar教授表示：“目前的挑战是，超宽带隙材料能否比GaN和SiC表现更好？我们现在谈论的材料曾被认定为绝缘体，但如果我们能够控制其中的电子浓度，就可以将它们视为超宽带隙半导体。” 超越金刚石
金刚石材料被业界誉为终极半导体，但将其作为半导体材料仍面临巨大挑战，包括抛光平坦化、掺杂等难题。在寻找合适的超宽带隙半导体材料的过程中，Siddha Pimputkar教授认为，“另一种材料立方氮化硼 (c-BN) 最有潜力应用于电力电子领域。该化合物的原子排列结构与金刚石相似，带隙为 6.4 eV，而金刚石为 5.5 eV，因此该材料的带隙更宽。”据了解，氮化硼，这种由氮原子和硼原子以1:1比例组成的化合物，其化学式为BN，氮化硼的两大明星形态分别是六方氮化硼（α-BN）和立方氮化硼（β-BN）。前者结构类似于石墨，是绝佳的润滑剂，而后者结构与钻石相似，硬度仅次于金刚石，但其耐高温性能却优于钻石。立方氮化硼也是全能型选手，在机械、热学、光学、化学、电子学方面均拥有优异性能。其硬度为5000kg/mm2（显微维氏硬度70Gpa），且硬度随尺寸减小急剧上升，被广泛应用于超硬材料加工、刀具、耐磨材料；热导率为1300W·m-1·K-1，拥有与Si、GaAs接近的热膨胀系数，使之能够成为很好的热沉材料；此外，立方氮化硼可通过掺杂获得n型或p型半导体材料，性能参数极高（6.4eV超宽带隙、ε0=7.1低介电常数、8MV·cm-1高击穿场强），同时它拥有比金刚石更好的热稳定性及高温化学惰性，在高温、高功率、高频电子设备和光学装置方面拥有不错的前景。这也意味着，cBN有潜力在更极端的条件下工作，并且可以耐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。就像输电线路一样，我们希望在尽可能高的电压下运行，以减少通过系统的电流量，从而减少由于系统效率低下而产生的能耗。这反过来又允许人们消除或重新设想电路的整个组成部分，从而减少这些电力转换器的尺寸，从而降低其成本。
但是，c-BN自身也面临挑战，即如何以生产晶圆所需的晶体尺寸生长c-BN。目前，生长块状单晶c-BN的工艺与合成金刚石的工艺过程类似，都需要高压和高温。截止目前，高温高压法仍是制备c-BN晶体的常用方法，但是由于制备条件和技术的限制存在晶粒尺寸小，通常得到的c-BN晶体只有几毫米大小。以及生产成本高的问题，这也阻碍了科研人员对c-BN单晶的进一步研究及其在各领域的应用。目前来说，将c-BN作为半导体材料存在的挑战主要有：1、大尺寸c-BN单晶制备，急需寻求技术的改进，以适用生产需求；2、c-BN和h-BN的相对稳定性一直存在争议，关于二者的相对稳定性仍未得到统一；3、衬底与材料之间晶格失配和热失配引起的异质外延中的生长模式、应力控制与释放；4、由于立方相成核必需的高能离子轰击导致膜内应力较大，薄膜厚度有限且缺陷密度较高等；5、有关c-BN的外延生长机制依然不明。Siddha Pimputkar表示：“对电子器件而言，只需要几厘米或几英寸的晶体即可制造晶圆。我想找到一种方法，利用能够真正扩展到工业水平的工艺来生长c-BN。”实现这一目标有两条途径。一是使用一种所需压力较小的新工艺来生长c-BN。二是让c-BN晶体生长得足够大，再用其制造出一种能够测量c-BN中电子饱和速度的器件，但迄今为止，人们只能通过计算方法完成这项工作。Siddha Pimputkar表示：“从品质因数来看，c-BN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。”Siddha Pimputkar的想法是，从c-BN的晶种开始，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，就可以实现低压生长c-BN的工艺。他认为此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。Siddha Pimputkar表示：“虽然六方氮化硼（h-BN）本身就是一种极好的材料，但我们正在研究如何发掘出立方氮化硼。”Siddha Pimputkar曾获得美国国家科学基金会CAREER奖，得益于此，他的实验室已建立起研究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。Siddha Pimputkar表示：“早期结果令人鼓舞。实验已证实 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。”第八届国际碳材料大会暨产业展览会——金刚石前沿论坛
