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更强、更快、更轻:利哈伊教授开发新型半导体材料,为更高效的军用雷达系统提供动力

Siddha Pimputkar雷达设备的军事优势是显而易见的,它可以进一步传输到现场。如何开发实现这一目标所需的新材料就不那么重要了。这是利哈伊大学材料科学与工程助理教授 Siddha Pimputkar 在 DEVCOM 陆军研究实验室的 110 万美元资助下接受的挑战。陆军对射频(RF)发射器,雷达系统感兴趣,这些系统在更高的功率水平和频率下运行,使它们能够更深入地进入战场,“Pimputkar说。“要做到这一点,你需要更好的半导体材料。这种军事应用是材料科学和工程领域更大趋势中的一个例子,即开发具有优于当前特定应用的半导体的先进性能。几十年来,硅一直是电子产品的首选半导体,因为它的丰富性、非常高的晶体质量,以及科学家所说的“掺杂”能力,或者通过引入杂质来控制其电性能。硅有效,但并不理想,“Pimputkar说。“我们正在研究新的合成途径,以制造具有更高功率电能转换性能的材料。最近,一类新的半导体被开发出来,可以为各种应用提供更好的性能,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。两种领先的“宽带隙”(WBG)材料是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)。氮化镓的发展有助于创造用于节能 LED 照明等应用的蓝光发光二极管 (LED)。这一进步为发明家中村修二赢得了诺贝尔奖,Pimputkar在加州大学圣塔芭芭拉分校攻读研究生时就读于他。这些材料的带隙大约是硅的三倍,可提供更高的能效和更快的器件速度。除了在当前的军用雷达系统中使用外,它们还开始在5G网络、电动汽车和消费电子产品等应用中得到更广泛的采用。导致开发WBG材料的大部分初步研究都是由国防部和能源部资助的,它们被迫保持在新技术的最前沿。虽然世行集团的材料仍处于相对早期的采用阶段,但军方已经在寻求从具有更高能力的材料中受益。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 (UWBG) 射频电子设备的提案征集。超宽禁带材料的带隙大于 GaN 的 3.4 电子伏特。该类成员包括金刚石、氮化铝镓(Al1-xGaxN)和β相氧化镓(β-Ga2O3)。现在的挑战是,我们能做得比GaN和SiC更好吗?皮姆普特卡说。“现在我们谈论的是过去被认为是绝缘体的材料,但如果我们能够控制其中的电子浓度,我们可以将它们视为超宽带隙半导体。金刚石被许多人认为是领先的UWBG材料,因为它具有有利的材料特性组合。它有可能在高压和高频应用中表现良好,最近的进展使得在实验室环境中生长单晶合成金刚石成为可能。然而,使用金刚石作为半导体材料存在挑战,包括在某些应用中掺杂材料的困难。Pimputkar认为,另一种材料立方氮化硼(c-BN)在电力电子应用中具有最大的潜力。该化合物的原子排列在类似于金刚石的结构中,并且该材料具有 6.4 eV 的更宽的带隙,而金刚石的带隙为 5.5 eV。但c-BN也有其自身的挑战,即以生产“晶圆”所需的晶体尺寸生长,“晶圆”是制造微电子器件的半导体薄片。目前,生长块状单晶c-BN的过程与合成钻石的过程相似,需要高压和高温,同时产生的晶体尺寸只有毫米。对于电子产品,你需要厘米或英寸的晶体来制造晶圆,“Pimputkar说。 “我想找到一种方法,使用一种实际上可以扩展到工业水平的工艺来种植c-BN。”那里的道路是双管齐下的。一个目标是使用一种需要更少压力的新工艺来培养 c-BN。另一个是将其长得足够大,以制造一种能够测量c-BN中电子饱和速度的装置,这是迄今为止仅使用计算方法完成的。根据功绩数字,c-BN是最好的,“他说。“现在,我们能否制造出一种可以证实材料承诺特性的c-BN设备?目前还没有人成功地做到这一点。Pimputkar 推测,在较低压力下生长 c-BN 的过程可以通过从 c-BN 的晶种开始,然后使用新的合成途径和适当的催化剂将更多的氮化硼沉积到其表面来实现。他认为这种方法可以产生所需的立方晶体结构,而不仅仅是更容易生长的六方结构。“虽然六方氮化硼(h-BN)本身就是一种奇妙的材料,但我们正在学习如何哄骗出立方版本,”他说。Pimputkar 的实验室在他之前的 NSF CAREER 资助下建立了研究氮化物生长过程的专业知识。该实验室目前每学期雇用四名研究生、两名博士后研究人员和四至六名本科生。本科生正在进行一项单独的、由行业资助的研究,调查金属在高压管式炉中暴露于氨气时的腐蚀。该实验室已经研究了大约一年半的c-BN增长问题,大约是美国陆军最初三年拨款期的一半,该期限可以延长至两年。Pimputkar说,早期结果是有希望的。实验表明,h-BN的生长与石墨烯相似并与之相辅相成,石墨烯是二维“超材料”,其研究人员在2010年获得了诺贝尔奖。但 Pimputkar 的目标是更大的目标。我们正处于一个阶段,我们正试图了解种植c-BN而不是h-BN需要什么,“他说。“我们的目标是进行概念验证,然后展示厘米级晶体,我们可以让人们进一步测试其未来潜力。这是高风险、高回报的。丹·阿姆斯特朗(Dan Armstrong)的故事

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