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麻省理工学院发现性能远优于硅的半导体“立方砷化硼”

来自麻省理工学院研究人员以及其合作伙伴已经发现了一种性能比硅好得多的材料。下一步是找到实用和经济的方法来制造它。硅是地球上最丰富的元素之一,以其纯粹的形式,这种半导体材料已成为许多现代技术的基础,包括微电子计算机芯片和太阳能电池。然而,硅作为一种半导体的特性实际上远非理想。

其中一个原因是,尽管硅允许电子轻易地在其结构中流动,但它对"空穴"--电子带正电的对应物的适应性要差得多,而利用这两者对特定类型的设备至关重要。此外,硅在传输热量方面做得很差,这导致了计算机中频繁的过热问题和昂贵的冷却系统。

现在,来自麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一个科学家团队已经进行了实验,显示一种名为立方砷化硼的材料克服了这两个限制。除了为电子和空穴提供高迁移率外,它还具有出色的导热性。据研究人员说,它是迄今发现的最好的半导体材料,也许是可能的最好的材料。

迄今为止,立方砷化硼只在实验室规模的小批次中被制造和测试,而这些批次并不均匀。事实上,为了测试材料中的小区域,科学家们不得不使用最初由麻省理工学院前博士后白松开发的特殊方法。要确定立方砷化硼是否能以实用、经济的形式制成,更不用说取代无处不在的硅还需要更多的工作。但研究人员说,即使在不久的将来,这种材料也能找到一些用途,其独特的性能将产生重大的影响。

2022年7月21日,麻省理工学院博士后Jungwoo Shin和麻省理工学院机械工程教授Gang Chen;休斯顿大学的Zhifeng Ren;以及麻省理工学院、休斯顿大学、德克萨斯大学奥斯汀分校和波士顿学院的其他14人在《科学》杂志上报告了这些发现。

早期的研究包括David Broido的工作,他是新论文的共同作者,从理论上预测该材料将具有高导热性。随后的工作通过实验证明了这一预测。这项最新工作通过实验证实了Chen小组在2018年做出的预测,从而完成了分析:立方砷化硼也将具有非常高的电子和空穴迁移率,"这使得这种材料真的很独特,"Chen说。

早期的实验表明,立方砷化硼的热导率几乎是硅的10倍。"因此,仅就散热而言,这非常有吸引力,"Chen说。他们还表明,这种材料有一个非常好的带隙,这一特性使它作为一种半导体材料具有巨大的潜力。

现在,新的工作填补了这一空白,表明凭借其电子和空穴的高迁移率,砷化硼具有理想半导体所需的所有主要品质。"这很重要,因为在半导体中,我们的正电和负电都是等价的。因此,如果你建立一个设备,你希望有一种材料,让电子和空穴都以较小的阻力移动,"Chen说。

硅具有良好的电子迁移率,但空穴迁移率较差,而其他材料,如广泛用于激光器的砷化镓,同样具有良好的电子迁移率,但空穴迁移率不高。

论文的主要作者Shin说:"热量现在是许多电子产品的一个主要瓶颈。"碳化硅正在取代硅,用于包括特斯拉在内的主要电动车行业的电力电子,因为它的导热性比硅高三倍,尽管它的电子迁移率较低。想象一下,砷化硼可以实现什么,它的导热性比硅高10倍,移动性比硅高很多。它可以改变游戏规则"。

Shin补充说:"使这一发现成为可能的关键里程碑是麻省理工学院的超快激光光栅系统的进展,"这种技术最初是由Song开发。他说,如果没有这种技术,就不可能证明这种材料的电子和空穴的高流动性。

他说,立方砷化硼的电子特性最初是根据Chen的小组所做的量子力学密度函数计算来预测的,而这些预测现在已经通过在麻省理工学院进行的实验得到了验证,该实验使用光学检测方法对Ren和休斯顿大学的团队成员制作的样品进行检测。

该材料的导热性不仅是所有半导体中最好的,而且科学家们还说它的导热性在所有材料中排名第三--仅次于钻石和富含同位素的立方氮化硼。"而现在,我们预测了电子和空穴的量子力学行为,也是从第一原理出发,这也被证明是真实的,"Chen说。"这令人印象深刻,因为除了石墨烯之外,我实际上不知道有任何其他材料具有所有这些特性。而这是一种具有这些特性的散装材料。"

他说,现在的挑战是找出实用的方法,以可用的数量制造这种材料。目前制造它的方法产生了非常不均匀的材料,因此该团队必须找到方法来测试只是小块的局部材料,这些材料足够均匀以提供可靠的数据。虽然他们已经证明了这种材料的巨大潜力,但"它是否或在哪里会被真正使用,我们并不知道,"Chen说。

"硅是整个行业的主力,我们已经有了一种更好的材料,但它是否真的会威胁这个行业?我们不知道。"虽然这种材料看起来几乎是一种理想的半导体,它是否真的能进入设备并取代目前的一些市场,我认为这仍有待证明。"

而且,虽然热和电性能已被证明是优秀的,但一种材料的许多其他性能还有待测试,例如它的长期稳定性,Chen说。"为了制造设备,还有许多其他因素我们还不知道。"这有可能真的很重要,而人们甚至还没有真正注意到这种材料。现在,砷化硼的理想特性已经变得更加明确,表明这种材料"在许多方面是最好的半导体,也许人们会更加关注这种材料。"

展望商业用途,Ren说,"一个巨大的挑战将是如何像硅一样有效地生产和净化立方砷化硼。......硅花了几十年的时间赢得了桂冠,其纯度超过99.99999999%,即今天大规模生产的'10个9'。"

为了使它在市场上变得实用,"它确实需要更多的人开发不同的方法来制造更好的材料并对其进行表征"。Chen说,这种开发的必要资金是否能得到,还有待观察。

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