BN氮化硼能否取代GaN氮化鎵？

據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局稱，中國(guó)生產(chǎn)的半導(dǎo)體鎵占全球供應(yīng)量的近98%。針對(duì)中國(guó)限制鎵化合物出口的舉措，美國(guó)能源部（DOE）向美國(guó)科學(xué)家征集提案，希望他們能設(shè)計(jì)出一種解決方案來(lái)替代基于GaN的半導(dǎo)體，并向四個(gè)團(tuán)隊(duì)撥款100萬(wàn)美元，用于為期一年的研究沖刺。

 

賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)教授Patrick Lenahan將研究用氮化硼替代氮化鎵基器件的可能性。來(lái)自俄亥俄州立大學(xué)、愛(ài)荷華大學(xué)和QuantCAD（一家位于愛(ài)荷華州愛(ài)荷華市和芝加哥的量子技術(shù)初創(chuàng)公司）的聯(lián)合首席研究員們將與Patrick Lenahan一起參與這項(xiàng)研究。

 

Patrick Lenahan表示：“我們認(rèn)為，在一些基于GaN的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用中，硼有望成為鎵的良好替代品，但我們還不清楚具體效果如何。我們的團(tuán)隊(duì)由理論家和實(shí)驗(yàn)家組成，將努力確定氮化硼在具有實(shí)質(zhì)性利益的系統(tǒng)中的物理工作原理，以及用氮化硼替代氮化鎵可能存在哪些缺點(diǎn)。”

 

氮化硼的物理特性與氮化鎵相似，但人們對(duì)氮化硼的了解要少得多，氮化硼在某些關(guān)鍵應(yīng)用中可能具有類似的性能。Patrick Lenahan表示：“硼的進(jìn)口限制與鎵不同，因此可在多種應(yīng)用中長(zhǎng)期替代鎵。”

 

Patrick Lenahan和他實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生們將使用電檢測(cè)磁共振、近零場(chǎng)磁阻、常規(guī)電子順磁共振等技術(shù)，結(jié)合各種電學(xué)測(cè)量，來(lái)評(píng)估用氮化硼制造的半導(dǎo)體器件。這三種技術(shù)都是通過(guò)測(cè)試電子的自旋特性，提供有關(guān)電子與氮化硼缺陷相互作用方式的信息。Patrick Lenahan表示，這種理解將是評(píng)估氮化硼作為半導(dǎo)體的有效性的關(guān)鍵。

 

他補(bǔ)充道：“這個(gè)項(xiàng)目很大程度上是一項(xiàng)團(tuán)隊(duì)工作，涉及器件制造、各種測(cè)量、理論分析。”

 

俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)教授兼量子信息科學(xué)與工程中心聯(lián)合主任Ezekiel Johnston-Halperin將制造由二維氮化硼層構(gòu)成的器件，并通過(guò)一種稱為電子隧穿的過(guò)程探索電子傳輸。

 

Ezekiel Johnston-Halperin的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)試制出一種制造超薄結(jié)構(gòu)的工藝，可利用電子隧穿靈敏地探測(cè)氮化硼中原子雜質(zhì)的特性。他表示：“我們選擇的氮化硼厚度剛好超出這一隧穿過(guò)程的范圍，使得通過(guò)器件的電流對(duì)晶體缺陷的存在變得極為敏感。”

 

Patrick Lenahan和Ezekiel Johnston-Halperin將與QuantCAD的Sina Soleimanikahnoj和愛(ài)荷華大學(xué)的研究員Durga Paudyal共同努力，獲取氮化硼中雜質(zhì)的獨(dú)特“指紋”，以優(yōu)化對(duì)氮化硼化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

 

這項(xiàng)研究沖刺為期一年，時(shí)間非常緊迫，合作者們將通力合作，確定氮化硼是否存在一條切實(shí)可行的前進(jìn)道路，并大致確定科學(xué)家和技術(shù)人員如何才能以最有效地沿著這條道路前進(jìn)。