隨著科技的快速發(fā)展，芯片已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧Ｈ欢S著芯片性能的不斷提升，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料正在面臨越來越多的挑戰(zhàn)。在這個背景下，寬禁帶半導(dǎo)體材料成為了研究的熱點，并有望成為下一代芯片的核心材料。

       寬禁帶半導(dǎo)體一般被稱作第三代半導(dǎo)體，主要包括碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石等，優(yōu)點是禁帶寬度大（大于2.2ev）、擊穿電場強度高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強、發(fā)光效率高、頻率高。在高溫、高頻、抗輻射及大功率器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。比如目前，市場火熱的5G基站、新能源汽車和快充等都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

       01、寬禁帶半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)

       寬禁帶半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)主要包括高擊穿電場強度、高熱傳導(dǎo)率、良好的熱穩(wěn)定性、強抗輻射能力等。

       首先，寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高擊穿電場強度。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有大的禁帶寬度，比如Si的帶隙只有1.2eV，而寬禁帶半導(dǎo)體的帶隙超過3.0eV；具有高擊穿場強，比Si高10倍以上，這意味著在給定的電場強度下，寬禁帶半導(dǎo)體材料的電流泄漏將會更小，使得寬禁帶器件能夠承受更高的峰值電壓，從而提升器件的輸出功率。這一特性使得寬禁帶半導(dǎo)體材料在制造高功率、高溫和高可靠性的電子設(shè)備方面具有巨大的潛力。

       其次，寬禁帶半導(dǎo)體材料具有高熱傳導(dǎo)率。這使得它們可以在高熱環(huán)境中保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，并有效地散發(fā)熱量，從而避免過熱。 

       另外，寬禁帶半導(dǎo)體材料具有良好的熱穩(wěn)定性。寬禁帶材料良好的熱穩(wěn)定性使得功率器件可以在更加惡劣的環(huán)境下工作，極大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

       最后，寬禁帶半導(dǎo)體材料具有強抗輻射能力。寬禁帶材料在輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性比Si器件高10至100倍，這意味著它們可以承受高劑量的輻射照射，是制作耐高溫、抗輻射的大功率微波功率器件的優(yōu)良材料，適合用于制造太空和核領(lǐng)域的電子設(shè)備。

       02、寬禁帶半導(dǎo)體材料的最新研究應(yīng)用

       在當(dāng)前的科技領(lǐng)域，硅基芯片已經(jīng)達(dá)到了性能極限，傳統(tǒng)的硅基芯片雖然在一定程度上可以滿足基本需求，但在某些特定領(lǐng)域如高功率、高溫等環(huán)境下仍存在一定的局限性。而寬禁帶半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能，被認(rèn)為是下一代芯片的理想選擇。

       事實上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與華為公司聯(lián)合申請的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利正是利用了寬禁帶半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢。該專利涉及的方法將硅基芯片和金剛石芯片進行混合鍵合，實現(xiàn)了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎(chǔ)的硅/金剛石三維異質(zhì)集成。利用金剛石的高熱導(dǎo)率和耐壓性，以及硅的成熟工藝和低成本等優(yōu)勢，實現(xiàn)了一種高性能、低功耗的混合集成芯片。

       這一技術(shù)的突破之處在于，它成功地將硅和金剛石這兩種性質(zhì)迥異的材料結(jié)合在一起，開創(chuàng)了芯片制造領(lǐng)域的新思路。這種混合鍵合方法不僅可以提高芯片的性能，還可以降低成本，并且有望在未來成為制造下一代芯片的主流技術(shù)。

       在金剛石半導(dǎo)體研究領(lǐng)域取得較快進展的還有日本。《日本經(jīng)濟新聞》網(wǎng)站稱，日本初創(chuàng)企業(yè)OOKUMA公司計劃將被稱為“終極半導(dǎo)體”的金剛石半導(dǎo)體推向?qū)嵱没钤鐚⒃?026年度投產(chǎn)。報道稱，日本佐賀大學(xué)的研究表明，與現(xiàn)在主流的硅基半導(dǎo)體相比，金剛石半導(dǎo)體可在5倍的高溫和33倍的高電壓下工作。性能也比常見的第三代半導(dǎo)體——碳化硅和氮化鎵出色。這種特性讓它有望用于更高電壓環(huán)境下的純電動汽車、高速通信及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。

       報道稱，OOKUMA公司生產(chǎn)的金剛石半導(dǎo)體器件將首先用于福島第一核電站的核廢料處理。為查看和清理福島第一核電站堆芯熔毀后留下的熔融燃料，只有耐受極高輻射強度的機器人才能勝任。但普通半導(dǎo)體器件在這種極端環(huán)境下的壽命非常短，而OOKUMA公司發(fā)現(xiàn)，金剛石半導(dǎo)體器件在450℃的高溫和輻射強度極高的惡劣環(huán)境下也能正常工作。此外，為保護半導(dǎo)體器件免受強輻射和高溫環(huán)境的影響，原本需要用沉重的鉛包裹機器人的核心部分，并配備專門的冷卻裝置，而配備金剛石半導(dǎo)體后，就可以省去這些裝置，從而減輕機器人重量，提高工作效率。OOKUMA公司計劃以處理核電站廢堆為契機量產(chǎn)金剛石半導(dǎo)體。為力爭應(yīng)用于衛(wèi)星通信，該公司與三菱電機等啟動了聯(lián)合研究。年內(nèi)還將與日本廠商推進用于純電動汽車器件的開發(fā)。

       然而，寬禁帶半導(dǎo)體材料也存在一些不足，例如制造工藝復(fù)雜、成本高、載流子遷移率低等。此外，寬禁帶半導(dǎo)體材料在光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，需要進一步的技術(shù)研發(fā)和推廣。

來源：環(huán)球時報、中國超硬材料網(wǎng)綜合整理