美國賓夕法尼亞州的利哈伊大學（Lehigh University）的材料科學與工程系助理教授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用于雷達系統的超寬帶隙（UWBG）半導體材料。

Siddha Pimputkar 教授

雷達設備的軍事應用對于信號傳輸的距離和效率提出了極高的要求。然而，開發能夠實現這一目標的新材料是一項極具挑戰性的任務。Pimputkar博士接受了這一挑戰，并指出，“美國陸軍對射頻發射器和雷達系統表現出了極大的興趣，這些系統能夠以更高的功率和頻率運行，從而深入戰場。為了實現這一目標，我們需要更先進的半導體材料和技術。”

當前，硅作為電子行業的首選半導體，已經主導了數十年的信息化發展，為現代科技生活提供了強大的底層支持。但是，硅基半導體在高功率和高溫環境下的性能受限，這促使人們尋找新的半導體材料。

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

全球范圍內，新型半導體的開發已經成為了共識，目標是使其在更廣泛的應用中表現更佳，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體材料因此受到了業界的廣泛關注。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體材料。GaN材料不僅在軍用雷達系統中得到應用，還廣泛用于5G網絡、電動汽車和消費電子產品等領域。

盡管GaN和SiC等寬帶隙材料的應用還處于初期階段，但軍方已經開始尋求更先進的材料，作為下一代的備用技術。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）啟動了超寬帶隙射頻電子器件的開發提案征集。

超寬帶隙半導體材料的帶隙超過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的表現是我們當前面臨的主要挑戰。我們正在研究的這些材料曾被認為是絕緣體，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體。”

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

在探索替代的超寬帶隙半導體材料時，Siddha Pimputkar教授指出，立方氮化硼（c-BN）在電力電子領域的應用潛力不容忽視。這種化合物的原子結構與金剛石相似，且具有更寬的帶隙，達到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）。六方氮化硼的結構類似于石墨，是一種優秀的潤滑劑，而立方氮化硼則擁有與鉆石相似的結構，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域都顯示出卓越的性能，包括機械、熱學、光學、化學和電子學。其硬度高達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域有著廣泛的應用；其熱導率為1300W·m-1·K-1，熱膨脹系數與硅和砷化鎵相近，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型半導體材料，具有極高的性能參數，6.4eV超寬帶隙、ε0=7.1低介電常數、8MV·cm-1高擊穿場強。同時，它比金剛石具有更好的熱穩定性和高溫化學惰性，因此在高溫、高功率、高頻電子設備和光學裝置的應用前景廣闊。

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，從而降低系統效率低下引起的能耗。這進一步允許人們重新考慮電路的整個構成，減少電力轉換器的尺寸，并降低成本。

然而，c-BN自身也面臨著挑戰，即如何實現c-BN晶圓的大規模生產，以滿足半導體制造的需求。

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域的應用。

目前，將c-BN作為半導體材料所面臨的挑戰主要包括：1、亟待改進技術以制備大尺寸的c-BN單晶，以滿足生產需求；2、c-BN和h-BN的相對穩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致的異質外延生長問題，包括生長模式、應力控制和釋放等；4、立方相成核所需的高能離子轟擊導致的膜內應力較大，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，利用能夠真正擴展到工業水平的工藝來生長c-BN。”

為實現這一目標，研究者們正在探索兩條路徑。一是開發一種新工藝，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：“從品質因數來看，c-BN無疑是最好的。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。”

Pimputkar教授的想法是從c-BN的晶種出發，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，從而實現低壓生長c-BN的工藝。他認為這種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。

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基金會CAREER獎的資助，這使得他的團隊能夠建立起關于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。

Pimputkar教授說：“早期結果令人鼓舞。實驗已經證實了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，然后展示厘米級的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。”