【国际时事】美国国家可再生能源实验室（NREL）探索超宽禁带半导体材料，以实现更高效的 LED 和电力电子器件

从左到右，研究员 Keon Sahebkar（美国佛罗里达大学）、Brooks Tellekamp、Stephen Schaefer 和 Nancy Haegel在 NREL 从事电力电子、固态照明和神经形态计算方面的工作。Brooks Tellekamp 被应用物理学杂志 Journal of Physics D. Applied Physics 评为杂志评为新兴领军人物。照片来自 NREL 由 Cynthia Tyler 拍摄

        Brooks Tellekamp 通过在高中所学的计算机基础设施找到了通往科学的道路。曾经帮助学校的一位在 NASA 项目中工作过的霍尼韦尔工程师解决了需求。

        这些早期的经历为 Tellekamp 确定了一条明确的道路——因此他将目标锁定在工程学院。

        Tellekamp 表示：“我在一家氧化锌半导体体生长的初创公司参与了一项合作工作计划。公司的一名员工建议我去参加 Alan Doolittle 教授的课程，后来教授又鼓励我在他的实验室攻读研究生学位。最初我从未考虑过从事研究，但在 Doolittle 实验室的机会改变了这一切。”这段出乎意料的经历将 Tellekamp 带到了 NREL，现在他已被物理学杂志 Journal of Physics D. Applied Physics 评为该期刊特刊中的新兴领军人物。

        在乔治亚理工学院读研究生期间，Tellekamp 成功合成了一种长期失传合成方法的材料——氧化铌锂（LiNbO₂），为他的职业生涯奠定了重要基础。这种材料是模仿神经突触的存储器电阻器（memristor），广泛应用于类脑神经形态计算。

Brooks Tellekamp 正在检查通过分子束外延生长的薄膜。照片来自 NREL，由 Cynthia Tyler 拍摄

        来到 NREL 后，Tellekamp 将研究领域拓展至三元氮化物，并继续在神经形态计算中探究硫属化物材料，同时演示了氧化物材料 NdNiO₃ 的存储器电阻特性。他的研究逐步转向用于电力电子的下一代氧化物和氮化物半导体，这种半导体材料在电力电子领域具有重要潜力。

        在另一个突破中，Tellekamp 和他的团队能够合成氧化镓 (Ga₂O₃)-氧化铟（III）合金，这是另一种具有功率电子应用潜力的半导体材料。

        Tellekamp 说：“我们很难将铟引入 Ga₂O₃ 晶体中。通常我们会使用一种方法，在高温下用镓抛光掉一些 Ga₂O₃ 晶体，以在生长之前清洁表面，而在前一次的生长失败后（通过电子衍射实时监测），我建议参与该项目的 Stephen Schaefer 尝试用镓蚀刻掉薄膜，之后重新开始。这促使我们开发出一种循环生长/蚀刻方法的发展，使用该方法快速跨越生长空间，从而将我们的产量提高了约 6 倍，基板利用率提高了约 46 倍。这是一个让我们发出惊呼的结果。”

        Tellekamp 对三元氮化物半导体的研究引起了广泛关注。其具有提供更高能效发光二极管 (LED) 的潜力。他的工作重点研究三元氮化物——以高品质合成它们，在不同基板上生长它们以了解其光学特性，并展示 ZnGeN₂ 和氮化镓 (GaN) 之间的高质量界面。所有这些都导致了通过分子束外延证明了 GaN 和 ZnGeN₂ 超晶格的生长，这是迈向更高效 LED 的重要一步。GaN 是一种化合物半导体，在制造蓝光方面非常有效，但对于暖白室内照明所需的绿光和琥珀色光则效率不高。而 ZnGeN₂ 作为 GaN 的一种替代品，具有与 GaN 相似的结构，使其高度兼容——并且它可能潜在地实现更高能效的绿色和琥珀色 LED，而无需目前用于将蓝光转换为白光的稀土元素。

        对下一代超宽禁带半导体的研究是 Tellekamp 目前在 NREL 的主要工作。他正在考察更多应用于电力电子和极端环境电子的半导体。超宽禁带材料传统上一直是绝缘体——有时不是很好的绝缘体。但 Tellekamp 指出，控制这些化合物中导电性的能力已证明对电气化经济很重要。Tellekamp 说：“只有在能够以高效且经济有效的方式管理所有电力需求的情况下，电气化才有意义，而这些材料就可以实现这种效率。”

        Tellekamp 致力于通过发现和设计新型超宽禁带材料，以及开发垂直设备制造方法，以推动技术进步。例如，探索了使用碳化钽薄膜为氮化铝镓（AlGaN）生长提供高质量衬底的方法，并将这一研究带入由 NREL 主导的“电子材料与制造探索中心（APEX）”计划中。

        Tellekamp 希望未来能实现垂直 AlGaN 电子设备的可移植技术，从而提升热管理性能并实现衬底再利用。他还预测，在未来五年内，氧化镓（Ga₂O₃）器件将取得显著进展，研究级设备可能突破 10 kV 的击穿电压，同时成本、性能和市场采用率大幅提升。

        Tellekamp 总结：“我希望我们对氧化镓以及其与其他材料形成界面的基础研究能够在这一进程中发挥作用。”