隨著科技的快速發展，芯片已經成為我們日常生活中不可或缺的一部分。然而，隨著芯片性能的不斷提升，傳統的半導體材料正在面臨越來越多的挑戰。在這個背景下，寬禁帶半導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。

       寬禁帶半導體一般被稱作第三代半導體，主要包括碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石等，優點是禁帶寬度大（大于2.2ev）、擊穿電場強度高、熱導率高、抗輻射能力強、發光效率高、頻率高。在高溫、高頻、抗輻射及大功率器件等領域具有廣泛的應用前景。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體的重要應用領域。

       01、寬禁帶半導體材料的物理性質

       寬禁帶半導體材料的物理性質主要包括高擊穿電場強度、高熱傳導率、良好的熱穩定性、強抗輻射能力等。

       首先，寬禁帶半導體材料具有高擊穿電場強度。寬禁帶半導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體材料在制造高功率、高溫和高可靠性的電子設備方面具有巨大的潛力。

       其次，寬禁帶半導體材料具有高熱傳導率。這使得它們可以在高熱環境中保持穩定的工作狀態，并有效地散發熱量，從而避免過熱。 

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

       最后，寬禁帶半導體材料具有強抗輻射能力。寬禁帶材料在輻射環境下的穩定性比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良材料，適合用于制造太空和核領域的電子設備。

       02、寬禁帶半導體材料的最新研究應用

       在當前的科技領域，硅基芯片已經達到了性能極限，傳統的硅基芯片雖然在一定程度上可以滿足基本需求，但在某些特定領域如高功率、高溫等環境下仍存在一定的局限性。而寬禁帶半導體材料具有優異的熱學、電學和力學性能，被認為是下一代芯片的理想選擇。

       事實上，哈爾濱工業大學與華為公司聯合申請的“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體材料的優勢。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，實現了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎的硅/金剛石三維異質集成。利用金剛石的高熱導率和耐壓性，以及硅的成熟工藝和低成本等優勢，實現了一種高性能、低功耗的混合集成芯片。

       這一技術的突破之處在于，它成功地將硅和金剛石這兩種性質迥異的材料結合在一起，開創了芯片制造領域的新思路。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。

       在金剛石半導體研究領域取得較快進展的還有日本。《日本經濟新聞》網站稱，日本初創企業OOKUMA公司計劃將被稱為“終極半導體”的金剛石半導體推向實用化，最早將在2026年度投產。報道稱，日本佐賀大學的研究表明，與現在主流的硅基半導體相比，金剛石半導體可在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境下的純電動汽車、高速通信及衛星通信等領域。

       報道稱，OOKUMA公司生產的金剛石半導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。但普通半導體器件在這種極端環境下的壽命非常短，而OOKUMA公司發現，金剛石半導體器件在450℃的高溫和輻射強度極高的惡劣環境下也能正常工作。此外，為保護半導體器件免受強輻射和高溫環境的影響，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金剛石半導體。為力爭應用于衛星通信，該公司與三菱電機等啟動了聯合研究。年內還將與日本廠商推進用于純電動汽車器件的開發。

       然而，寬禁帶半導體材料也存在一些不足，例如制造工藝復雜、成本高、載流子遷移率低等。此外，寬禁帶半導體材料在光電子器件領域的應用還處于起步階段，需要進一步的技術研發和推廣。

來源：環球時報、中國超硬材料網綜合整理