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来源：内容编译自普渡大学，谢谢。
氮化镓是一种半导体，用于制造各种消费电力电子产品，如手机和电脑，以及医疗设备、汽车、风力涡轮机、太阳能发电场、 LED 灯泡等。
根据美国地质调查局的数据，中国生产的半导体镓占全球供应量的近 98% 。为了应对中国限制该化合物出口的举措，美国能源部 (DOE) 向美国科学家发出提案，要求他们设计一种替代氮化镓基半导体的解决方案，并向四个团队奖励 100 万美元，用于为期一年的研究冲刺。
宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学杰出教授帕特里克·莱纳汉 (Patrick Lenahan )将研究用氮化硼替代氮化镓基器件的可能性。俄亥俄州立大学、爱荷华大学和QuantCAD（一家在爱荷华州爱荷华市和芝加哥设有办事处的量子技术初创公司）的联合首席研究员将与莱纳汉一起参与调查。
“我们认为，在一些技术上至关重要的氮化镓基应用中，硼是镓的潜在替代品，但我们不知道具体效果如何，”莱纳汉说。“我们的团队由理论家和实验家组成，将努力确定氮化硼在实际感兴趣的系统中的物理工作原理，以及用它代替氮化镓可能存在哪些缺点。”
Lenahan 表示，氮化镓由 50% 的镓和 50% 的氮组成，具有宽带隙半导体的优势，这意味着它比硅等低带隙半导体能承受更高的电场，并能承受更高的电压和温度。氮化硼具有与氮化镓相当的物理特性，但对其了解甚少，在某些关键应用中可能具有类似的性能。
“硼的进口限制与镓不同，因此它可以成为多种应用的长期替代品，”莱纳汉说。
Lenahan 和他实验室的学生（其中大部分正在攻读工程科学硕士或博士学位）将使用技术（例如电检测磁共振、近零场磁阻和常规电子顺磁共振结合各种电气测量）来评估用氮化硼制造的半导体器件。这三种技术通过测试电子的自旋特性，提供有关电子与氮化硼缺陷相互作用方式的信息。Lenahan 表示，这种理解将是评估氮化硼作为半导体的有效性的关键。
“这个项目很大程度上是团队合作的结果，涉及设备制造、各种测量和理论分析，”Lenahan 说。
俄亥俄州立大学物理学教授兼量子信息科学与工程中心联席主任 Ezekiel Johnston-Halperin 将制造由二维或一个原子厚的氮化硼层构成的设备，并通过称为电子隧穿的过程探索电子传输。
“在电子隧穿中，电子可以‘隧穿’极薄的绝缘屏障，而屏障越厚，这一过程就越弱，”约翰斯顿-哈尔佩林说。“我的实验室已经试验了一种构建极薄结构的工艺，利用电子隧穿的量子特性来灵敏地探测氮化硼中原子杂质的性质。通过选择刚好超出这一隧穿过程范围的氮化硼厚度，通过该设备的电流对晶体缺陷的存在变得极为敏感。”
Lenahan 和 Johnston-Halperin 将与 QuantCAD 的 Sina Soleimanikahnoj 和爱荷华大学的研究员 Durga Paudyal 共同努力，获取氮化硼中杂质的独特“指纹”，以优化该化合物化学结构的设计。
“作为电力电子领域氮化镓的潜在替代材料，氮化硼具有很多优点，例如其较大的电子带隙和无可挑剔的热导率，”Soleimanikahnoj 说道。“为了确定这种潜力是否可以付诸实践，QuantCAD 将对氮化硼基电力电子设备进行详细的微观建模，以将其与氮化镓设备进行比较。然后，我们将微观建模整合到宏观电气设备模拟中，以设计最佳的设备结构。”
在这一年的研究冲刺中，时间非常紧迫，合作者将齐心协力，确定氮化硼是否存在切实可行的前进道路，并大致确定科学家和技术人员如何最有效地沿着这条道路前进。
参考链接
https://www.psu.edu/news/engineering/story/search-replace-critical-semiconductor
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