钻石不再仅是贵重珠宝 还将是新一代半导体材料

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    COV钻石制成的光电导开关,正在测试中。图/LLNL(photo:ChinaTimes)
    COV钻石制成的光电导开关,正在测试中。图/LLNL(photo:ChinaTimes)

    说到半导体行业,最主要的材料就是硅,甚至几十年来,硅几乎成了半导体电子的代名词,但是它的物理极限可能已接近尾声,需要更好的材料来接续。俗称钻石的金刚石,或许就是新的半导体材料,它有更佳的电子跃迁性能与导热效率。

    据科技网(digitimes)的介绍,半导体的特殊作用在于,它在不同的电压下,会呈现导体或非导体的特质,而于是就能进行各种电路讯号的增幅与缩小,这就引发了20世纪最重要的产业革命-积体电路与电脑产业。能够达成半导体效果的关键在「能隙」的寛度,比如硅这样的常规半导体的,带隙在1-1.5电子伏特(eV)的范围内 。

    随着电子产品功能愈来愈强大,硅晶也逐步走到它的物理极限,因此GaN(氮化镓)与SiC(碳化硅)这两种宽能隙(wide band gap)半导体就成了新一代的宠儿,宽能隙半导体的带隙范围在2~4 电子伏特(eV)的范围内。

    较宽的带隙对于让使用它们的设备在300°C左右的更高温度下工作特别重要。这使得它们对于军事应用具有很高的吸引力,这也就是各国新一代的相控阵雷达,经常标榜是「氮化镓半导体」所制作。

    不过,美国的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们,正在追求氮化镓更大能隙的半导体,称为「超宽能隙半导体」(ultra-wide bandgap semiconductor),也就是「矿物之王」-金刚石。

    每日科技(SciTech Daily)报导,LLNL表示,未来我们需要更有效地为智慧型电网、机车乃至电动汽车供电,也就需要更好的半导体材料。金刚石被证明具有优异的电子跃迁率、穿电场和导热率,这几项都是电子设备最重要的特性,能够使得电子产品运作速度更快,而且更为耐热而不易坏。

    研究小组所说的金刚石,是化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)法所合成的COV钻石,这些钻石的物理效果要高于天然钻石,虽然价格比天然钻石便宜,但电子工业上,便宜当然是好事,而且能依据所需要的半导体特性来制作。

    在以往的半导体制作过程中,导电率和频率响应效果,是掺入杂质来实现的,不过在钻石半导体中,则是採用电子辐射(贝他射线),利用电子辐射将晶格的原子给撞掉,就会产生独特的半导体效果。

    ”LLNL的物理学家保罗斯‧格里瓦卡斯(Paulius Grivickas)说:「我们把高品质的CVD钻石放进去,并对其进行辐照,看看我们是否可以调整性能。最终我们确定了多强的电子辐射可以决定钻石的半导体特性。」

    格里瓦卡斯说,钻石所制成的半导体元件,则将更小,表现却更快。如果由硅半导体元件来控制电网,需要体积大而笨重的半导体开关,那么钻石制的同一种零件,就只合指尖一般大就能完成同样的事情。

    该研究也可应用在「能量输送系统」,也就是利用微波将电能传达到远方而不需要电线。该团队证明了兆瓦级射频功率产生器的可能性,这将会用到钻石的高频响应能力。

    (中时新闻网)