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壓力烹飪法:立方氮化硼大尺寸單晶工業化制備新思路分享
2021年05月19日 發布 分類:技術前沿 點擊量:99
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近日,美國理海大學(Lehigh University)材料研究學者Siddha Pimputkar由于開發出一種生長大尺寸單晶氮化物的新方法而榮獲美國國家科學基金(NSF)獎,這意味著在五年內提供大約50萬美元的穩定支持。這一研究成果很可能會影響包括立方氮化硼、氮化鋁、氮化鋁鎵等更高效、廉價地應用于電子半導體等新材料應用領域。

 

氮化物概念廣泛,多數是由氮原子與另一種金屬元素結合甚至多種金屬元素結合的產物,這位研究人員Siddha Pimputkar認為立方氮化硼是大尺寸單晶氮化物中最難制備的。“立方氮化硼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。”比如,在混合動力或純電動汽車應用中,這意味著不再需要主動冷卻系統,從而消除器件的復雜性和出現故障的可能,被動冷卻成為可能。

但是,氮化物的制備很難,大尺寸單晶就更難。Pimputkar解釋,大尺寸很重要,這意味著芯片成本的下降。但晶體缺陷會導致對材料以及使用該材料的電子器件性能產生負面影響;同時生長時間極其緩慢,比如典型塊狀氮化物晶體的生長速率為每天0.1-1毫米,這就是當前的工業化的困境。

當前很難制備大尺寸立方氮化硼單晶

新方法被稱為“壓力烹飪”法(Pressure-cooking),類似于用速溶鍋(可以簡單理解為新型壓力鍋)烹飪牛肉的原理。它使得一種包含氮化鋰的前驅體能夠在該系統中加熱到高溫,轉化為液態,但不會使氮化物被分解。“氮化鋰的歐電視它含有25%的氮,高的氮含量極大地促進了氮化物生長”。這種方法不限于制備氮化硼晶體,還包括氮化鎵、氮化鋁以及氮化鋁鎵等。

新方法相對于現在高溫高壓的制備方式可以采用較低的溫度,大大降低壓力,也更利于大尺寸晶體的構建。而項目獲得成功,將不止給半導體產業帶來革新,同樣會為超硬切割材料(立方氮化硼的優勢在于切割黑色金屬)帶來革命。新方法需要新裝備,新裝備實現新思路”, Pimputkar以此作為總結。

編譯 YUXI

詳細研究成果可以去到以下地址:https://wordpress.lehigh.edu/pimputkar/


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