立方晶窒化ホウ素を成長させるための新しいアプローチ:

リーハイ大学の材料研究者シッダ・ピンプトカール氏が、バルク単結晶窒化物を成長させる新しい方法の開発で NSF キャリア賞を受賞 - より効率的で低コストの電子デバイスや革新的な製造ツールにつながる可能性のある進歩

リーハイ大学

画像: リーハイ大学材料科学工学助教授のシッダ・ピンプトカル氏は、「中程度の圧力下での前駆体の制御分解による窒化物合成」という提案で NSF CAREER 賞を受賞しました。もっと見る

クレジット: リーハイ大学

すべての分野には聖杯があります。 リーハイ大学 PC ロッシン工学応用科学大学の材料科学および工学の助教授であるシッダ・ピンプトカル氏にとって、それは立方晶窒化ホウ素です。

窒化物は、窒素原子がガリウムやホウ素などの別の元素、またはほとんどの金属に結合した広範な化合物です。

これらの窒化物の一部は強力な半導体であり、シリコンよりも効率が高く、電源を入れたり接続したりするほぼすべてのデバイスに遍在して存在します。一部の窒化物は、硬度がダイヤモンドに匹敵します。 極端な環境でも動作できるものもあります。 また、立方晶窒化ホウ素のように、これらすべてのことができるものもあります。

「シリコンと比べて、立方晶窒化ホウ素は、送電網で見られるような、より高い電圧や電流を含む、より極端な条件下でも機能する可能性があります」とピンプトカー氏は言う。 「動作可能な電圧が高いほど、同じ量の電力を供給するために必要な電流は少なくなります。 送電線と同様に、システムを流れる電流量を減らすために可能な限り最高の電圧で動作させ、その結果、システムの非効率によって発生する廃熱を削減したいと考えています。 これにより、回路のコンポーネント全体を削除または再検討できるようになり、電力コンバータのサイズが削減され、コストが削減されます。」

たとえば、彼は次のように述べています。「ハイブリッド車や電気自動車では、シリコン ベースの技術のように電力制御システムを冷却するために、ファンや関連制御を含むアクティブ冷却システムは必要ありません。 立方晶窒化ホウ素の特性により、はるかに高い電圧と温度での動作が可能となり、受動的冷却が許容できるため、その複雑さと障害点を排除できます。」

窒化物は材料として、刺激的で広範囲にわたる可能性を秘めています。 作るのも本当に大変です。

しかし、まさにそれを実現するための革新的なシステムを開発するというピンプトカール氏の提案は、最近、国立科学財団の教員早期キャリア開発（CAREER）プログラムからの支援を獲得しました。

名誉あるNSF CAREER賞は、優れた研究、優れた教育、教育と研究の統合を通じて教師兼学者の役割を模範としている全米の若手教員に毎年授与されます。 各賞では、5 年間にわたって約 50 万ドルのレベルで安定したサポートが提供されます。

「圧力調理」結晶

このプロジェクトで、Pimputkar は、欠陥のない大型の単結晶窒化物を安価に成長させることができないという長年の複雑な問題を克服し、その成長を拡大できるようにしようとしています。

ピンプトカー氏は、結晶の直径が大きくなるたびに、ラップトップや電話の充電に使用される電力変換器などの電子機器の最終コストが下がるため、サイズが重要であると説明します。 (成長すると、結晶は固体の物質の塊に似たものになります。その後、パワー エレクトロニクス チップを製造するためのプラットフォームを形成する、薄く丸いウェーハに切断されます。ウェーハが大きくなるほど、1 回の処理ステップでより多くのチップを製造できるようになります。各チップの価格が安くなります。）

欠陥は明らかに重要です。 結晶内の原子は互いに完全に配向していなければならず、隣接する原子はそれぞれ特定の元素である必要がある、と彼は言います。なぜなら、少しでもずれがあると、材料、ひいてはエレクトロニクスの性能や能力に悪影響を与えるからです。