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       随着科技的快速发展，芯片已经成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而，随着芯片性能的不断提升，传统的半导体材料正在面临越来越多的挑战。在这个背景下，宽禁带半导体材料成为了研究的热点，并有望成为下一代芯片的核心材料。

       宽禁带半导体一般被称作第三代半导体，主要包括碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石等，优点是禁带宽度大（大于2.2ev）、击穿电场强度高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高。在高温、高频、抗辐射及大功率器件等领域具有广泛的应用前景。比如目前，市场火热的5G基站、新能源汽车和快充等都是第三代半导体的重要应用领域。

       01、宽禁带半导体材料的物理性质

       宽禁带半导体材料的物理性质主要包括高击穿电场强度、高热传导率、良好的热稳定性、强抗辐射能力等。

       首先，宽禁带半导体材料具有高击穿电场强度。宽禁带半导体材料具有大的禁带宽度，比如Si的带隙只有1.2eV，而宽禁带半导体的带隙超过3.0eV；具有高击穿场强，比Si高10倍以上，这意味着在给定的电场强度下，宽禁带半导体材料的电流泄漏将会更小，使得宽禁带器件能够承受更高的峰值电压，从而提升器件的输出功率。这一特性使得宽禁带半导体材料在制造高功率、高温和高可靠性的电子设备方面具有巨大的潜力。

       其次，宽禁带半导体材料具有高热传导率。这使得它们可以在高热环境中保持稳定的工作状态，并有效地散发热量，从而避免过热。 

       另外，宽禁带半导体材料具有良好的热稳定性。宽禁带材料良好的热稳定性使得功率器件可以在更加恶劣的环境下工作，极大提高系统的稳定性和可靠性。

       最后，宽禁带半导体材料具有强抗辐射能力。宽禁带材料在辐射环境下的稳定性比Si器件高10至100倍，这意味着它们可以承受高剂量的辐射照射，是制作耐高温、抗辐射的大功率微波功率器件的优良材料，适合用于制造太空和核领域的电子设备。

       02、宽禁带半导体材料的最新研究应用

       在当前的科技领域，硅基芯片已经达到了性能极限，传统的硅基芯片虽然在一定程度上可以满足基本需求，但在某些特定领域如高功率、高温等环境下仍存在一定的局限性。而宽禁带半导体材料具有优异的热学、电学和力学性能，被认为是下一代芯片的理想选择。

       事实上，哈尔滨工业大学与华为公司联合申请的“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利正是利用了宽禁带半导体材料的优势。该专利涉及的方法将硅基芯片和金刚石芯片进行混合键合，实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。利用金刚石的高热导率和耐压性，以及硅的成熟工艺和低成本等优势，实现了一种高性能、低功耗的混合集成芯片。

       这一技术的突破之处在于，它成功地将硅和金刚石这两种性质迥异的材料结合在一起，开创了芯片制造领域的新思路。这种混合键合方法不仅可以提高芯片的性能，还可以降低成本，并且有望在未来成为制造下一代芯片的主流技术。

       在金刚石半导体研究领域取得较快进展的还有日本。《日本经济新闻》网站称，日本初创企业OOKUMA公司计划将被称为“终极半导体”的金刚石半导体推向实用化，最早将在2026年度投产。报道称，日本佐贺大学的研究表明，与现在主流的硅基半导体相比，金刚石半导体可在5倍的高温和33倍的高电压下工作。性能也比常见的第三代半导体——碳化硅和氮化镓出色。这种特性让它有望用于更高电压环境下的纯电动汽车、高速通信及卫星通信等领域。

       报道称，OOKUMA公司生产的金刚石半导体器件将首先用于福岛第一核电站的核废料处理。为查看和清理福岛第一核电站堆芯熔毁后留下的熔融燃料，只有耐受极高辐射强度的机器人才能胜任。但普通半导体器件在这种极端环境下的寿命非常短，而OOKUMA公司发现，金刚石半导体器件在450℃的高温和辐射强度极高的恶劣环境下也能正常工作。此外，为保护半导体器件免受强辐射和高温环境的影响，原本需要用沉重的铅包裹机器人的核心部分，并配备专门的冷却装置，而配备金刚石半导体后，就可以省去这些装置，从而减轻机器人重量，提高工作效率。OOKUMA公司计划以处理核电站废堆为契机量产金刚石半导体。为力争应用于卫星通信，该公司与三菱电机等启动了联合研究。年内还将与日本厂商推进用于纯电动汽车器件的开发。

       然而，宽禁带半导体材料也存在一些不足，例如制造工艺复杂、成本高、载流子迁移率低等。此外，宽禁带半导体材料在光电子器件领域的应用还处于起步阶段，需要进一步的技术研发和推广。

来源：环球时报、中国超硬材料网综合整理