鑽石不再僅是貴重珠寶 還將是新一代半導體材料

COV鑽石製成的光電導開關,正在測試中。(圖/LLNL)

說到半導體行業,最主要的材料就是矽,甚至幾十年來,矽幾乎成了半導體電子的代名詞,但是它的物理極限可能已接近尾聲,需要更好的材料來接續。俗稱鑽石的金剛石,或許就是新的半導體材料,它有更佳的電子躍遷性能與導熱效率。

據科技網(digitimes)的介紹,半導體的特殊作用在於,它在不同的電壓下,會呈現導體或非導體的特質,而於是就能進行各種電路訊號的增幅與縮小,這就引發了20世紀最重要的產業革命-積體電路與電腦產業。能夠達成半導體效果的關鍵在「能隙」的寛度,比如矽這樣的常規半導體的,帶隙在1-1.5電子伏特(eV)的範圍內 。

隨著電子產品功能愈來愈強大,矽晶也逐步走到它的物理極限,因此GaN(氮化鎵)與SiC(碳化矽)這兩種寬能隙(wide band gap)半導體就成了新一代的寵兒,寬能隙半導體的帶隙範圍在2~4 電子伏特(eV)的範圍內。

較寬的帶隙對於讓使用它們的設備在300°C左右的更高溫度下工作特別重要。這使得它們對於軍事應用具有很高的吸引力,這也就是各國新一代的相控陣雷達,經常標榜是「氮化鎵半導體」所製作。

不過,美國的勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的科學家們,正在追求氮化鎵更大能隙的半導體,稱為「超寬能隙半導體」(ultra-wide bandgap semiconductor),也就是「礦物之王」-金剛石。

每日科技(SciTech Daily)報導,LLNL表示,未來我們需要更有效地為智慧型電網、機車乃至電動汽車供電,也就需要更好的半導體材料。金剛石被證明具有優異的電子躍遷率、穿電場和導熱率,這幾項都是電子設備最重要的特性,能夠使得電子產品運作速度更快,而且更為耐熱而不易壞。

研究小組所說的金剛石,是化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)法所合成的COV鑽石,這些鑽石的物理效果要高於天然鑽石,雖然價格比天然鑽石便宜,但電子工業上,便宜當然是好事,而且能依據所需要的半導體特性來製作。

在以往的半導體製作過程中,導電率和頻率響應效果,是摻入雜質來實現的,不過在鑽石半導體中,則是採用電子輻射(貝他射線),利用電子輻射將晶格的原子給撞掉,就會產生獨特的半導體效果。

”LLNL的物理學家保羅斯‧格里瓦卡斯(Paulius Grivickas)說:「我們把高品質的CVD鑽石放進去,並對其進行輻照,看看我們是否可以調整性能。最終我們確定了多強的電子輻射可以決定鑽石的半導體特性。」

格里瓦卡斯說,鑽石所製成的半導體元件,則將更小,表現卻更快。如果由矽半導體元件來控制電網,需要體積大而笨重的半導體開關,那麼鑽石製的同一種零件,就只合指尖一般大就能完成同樣的事情。

該研究也可應用在「能量輸送系統」,也就是利用微波將電能傳達到遠方而不需要電線。該團隊證明了兆瓦級射頻功率產生器的可能性,這將會用到鑽石的高頻響應能力。

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