硅作為半導(dǎo)體材料所具備的特性還不夠理想

硅是地球上最豐富的元素之一，它已經(jīng)成為許多現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，從太陽能電池到計算機芯片。但硅作為半導(dǎo)體材料所具備的特性還不夠理想。

一方面，盡管硅可以讓電子輕松地在其結(jié)構(gòu)中穿行，但它對“空穴”（電子正電荷對應(yīng)物）的適應(yīng)能力要差得多，而這對某些類型的芯片來說，這兩者都很重要。此外，硅不善于導(dǎo)熱，這就是為什么計算機中存在過熱問題并需配備昂貴的冷卻系統(tǒng)的原因。

現(xiàn)在，麻省理工學院、休斯頓大學和其他機構(gòu)的一個研究人員團隊進行了實驗，表明一種稱為立方砷化硼的材料克服了這兩個限制。它可為電子和空穴都提供高遷移率，并具有良好的導(dǎo)熱性。研究人員表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料。

目前為止，立方砷化硼只在實驗室進行小批量生產(chǎn)和測試。研究人員不得不使用最初由前麻省理工學院博士后Bai Song開發(fā)的特殊方法來測試材料中的小區(qū)域。要確定立方砷化硼能否以實用、經(jīng)濟的方法制造出來，還需要做更多的工作，更不用說取代無處不在的硅了。但研究人員表示，即使在不久的將來，這種材料也可能在某些用途中發(fā)揮重要作用，其獨特的特性將產(chǎn)生重大影響。

早期研究，也包括了David Broido的研究工作，他從理論上預(yù)測了這種材料將具有高導(dǎo)熱性；隨后的研究工作通過實驗證明了這一預(yù)測。這項最新的研究通過實驗證實了Chen團隊在2018年做出的一個預(yù)測，并完成了分析：立方砷化硼對電子和空穴都具有非常高的遷移率，“這使得這種材料非常獨特，”Chen表示。

早期的實驗表明，立方砷化硼的熱導(dǎo)率幾乎是硅的10倍?！八裕蛢H散熱來說它就非常有吸引力，”Chen說道。他們還證實了，該材料具有很好的帶隙，這一特性使其成為半導(dǎo)體材料具有很大的潛力。

現(xiàn)在，新的研究工作填補了這一空白，表明了砷化硼具有電子和空穴的高遷移率，具備理想半導(dǎo)體所需的所有主要特性。Chen表示：“這很重要，因為在半導(dǎo)體中，正電荷和負電荷是相等的。因此，如果你制造一個器件，你需要一種電子和空穴移動時電阻都較小的材料。”

硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料，如廣泛應(yīng)用于激光器的砷化鎵，同樣對電子具有良好的遷移率，但是對空穴則沒有。

“散熱是許多電子產(chǎn)品的主要瓶頸，”研究人員Shin表示，“在包括特斯拉（Tesla）在內(nèi)的主要電動汽車行業(yè)中，碳化硅正在取代硅作為電力電子產(chǎn)品材料，因為盡管碳化硅的電遷移率較低，但其導(dǎo)熱系數(shù)比硅高出三倍。想象一下，砷化硼可以實現(xiàn)什么樣的效果，其導(dǎo)熱系數(shù)是硅的10倍，遷移率要高得多。它可以改變游戲規(guī)則。”

Shin補充道：“使這一發(fā)現(xiàn)成為可能的關(guān)鍵里程碑是麻省理工學院超快激光光柵系統(tǒng)的進步，”這一系統(tǒng)最初由Song開發(fā)。他表示，如果沒有這種技術(shù)，就不可能證明這種材料對電子和空穴的高遷移率。

他表示，立方砷化硼的電子特性最初是根據(jù)Chen團隊的量子力學密度函數(shù)預(yù)測得出的，這些預(yù)測現(xiàn)在已經(jīng)通過麻省理工學院的實驗得到驗證，實驗使用了Ren和休斯頓大學團隊成員制作的樣品的光學檢測方法。

研究人員表示，這種材料的導(dǎo)熱性不僅是所有半導(dǎo)體中最好的，而且在所有材料中，它的導(dǎo)熱性排名第三，僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。Chen說道：“現(xiàn)在，我們預(yù)測了電子和空穴的量子力學行為，也是根據(jù)第一原理，這也被證明是正確的?！?/p>

他表示：“這令人印象深刻，因為除了石墨烯之外，我不知道還有任何其他材料具有所有這些特性。”

Chen表示，現(xiàn)在我們面臨的挑戰(zhàn)是找出切實可行的方法，生產(chǎn)足夠多的這種材料。目前制造這種材料的方法智能產(chǎn)生非常不均勻的材料，因此團隊必須找到方法來對一小塊材料進行測試，使這些小塊材料足夠均勻以提供可靠的數(shù)據(jù)。雖然他們已經(jīng)證明了這種材料的巨大潛力，“但我們不知道它是否會被實際使用，也不知道它會在哪里使用，”Chen說道。

“硅是整個行業(yè)的主力軍，”Chen表示?！八?，好吧，我們有了一種更好的材料，但它真的會在這個行業(yè)中作為后備軍嗎？我們不知道?！彪m然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導(dǎo)體，“但它是否真的能用來制造一個器件并取代當前市場的一部分，我認為這還有待證明。”

雖然熱性能和電性能已經(jīng)被證明是優(yōu)異的，但一種材料還有許多其他性能有待測試，例如其長期穩(wěn)定性?！耙圃炱骷?，還有許多其他因素我們還不知道?！盋hen表示。

他補充說道：“這真的很重要，人們甚至沒有真正注意到這種材料?！爆F(xiàn)在，砷化硼的理想特性已經(jīng)變得更加清楚，這表明該材料“在許多方面是最好的半導(dǎo)體，”他說道，“也許行業(yè)會對這種材料給予更多關(guān)注。”

對于其商業(yè)應(yīng)用，Ren表示：“一個巨大的挑戰(zhàn)是如何像硅一樣有效地生產(chǎn)和提純立方砷化硼。硅花了幾十年的時間才贏得桂冠，其純度超過99.99999%?！?/p>

硅已獲市場肯定，Chen表示：“確實需要更多的人開發(fā)出不同的方法來制造更好的材料并對其進行表征?！?/p>

審核編輯 ：李倩