一種具有極高導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體材料砷化硼

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員合作優(yōu)化了化合物半導(dǎo)體砷化硼（BA）的晶體生長(zhǎng)過(guò)程，砷化硼材料具有優(yōu)異的熱性能并能有效地散發(fā)出電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量。該研究結(jié)果發(fā)表2018年7月5日的美國(guó)《科學(xué)》雜志上，標(biāo)志著先前預(yù)測(cè)的一類(lèi)超高導(dǎo)熱率材料的首次實(shí)現(xiàn)。

研究背景

隨著我們繼續(xù)構(gòu)建更小、更快、更強(qiáng)大的電子設(shè)備，尋找防止計(jì)算機(jī)芯片過(guò)熱的方法變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，可將其稱(chēng)為一個(gè)真正開(kāi)始“升溫”的問(wèn)題。

大多數(shù)計(jì)算機(jī)芯片是由硅制成的，硅是一種結(jié)晶半導(dǎo)體材料，能夠充分散熱。但是新型的器件吸引更多的電流并產(chǎn)生更多的熱量，即使在器件中加入其他冷卻技術(shù)，硅的散熱能力也已經(jīng)達(dá)到極限。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校物理學(xué)助理教授Bing Lv表示：“對(duì)于高功率的小型電子產(chǎn)品，我們不能使用金屬來(lái)散熱，因?yàn)榻饘贂?huì)導(dǎo)致短路，我們無(wú)法應(yīng)用冷卻風(fēng)扇因?yàn)榭臻g有限。雖然金剛石偶爾被用到要求嚴(yán)格的散熱應(yīng)用中，但天然金剛石的成本和人造金剛石薄膜的結(jié)構(gòu)缺陷使得這種材料在電子產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用變得不切實(shí)際。我們需要的是一種廉價(jià)的半導(dǎo)體，且能散發(fā)出大量的熱量。”

研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

研究成果砷化硼是一種具有極高導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體材料，但它不是天然存在的材料，因此科學(xué)家必須在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行合成。該材料還需要具有非常特殊的結(jié)構(gòu)和低缺陷密度，以使其具有峰值導(dǎo)熱率，從而使其生長(zhǎng)以非常受控的方式發(fā)生。

Bing Lv和他的同事已經(jīng)生產(chǎn)出砷化硼晶體，他們過(guò)去三年的工作重點(diǎn)是提高砷化硼的性能。先前的研究曾預(yù)測(cè)砷化硼散熱性能可同熱導(dǎo)率最高的金剛石材料相媲美。雖然金剛石廣泛應(yīng)用到電子產(chǎn)品中是不切實(shí)際的，但其導(dǎo)熱系數(shù)約為2200 W/mK。相比之下，硅的導(dǎo)熱系數(shù)約為150 W/mK。Bing Lv的前期工作產(chǎn)生了導(dǎo)熱系數(shù)約為200 W/mK的砷化硼晶體，通過(guò)優(yōu)化晶體生長(zhǎng)過(guò)程，Bing Lv和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)法將該值提高到約1000 W/mK。

圖為用電子顯微鏡成像的砷化硼晶體

Bing Lv 表示：“要從之前的200 W/mK提升到1000 W/mK，我們需要調(diào)整許多參數(shù)，包括我們開(kāi)始使用的原材料、生長(zhǎng)爐的溫度和壓力，甚至我們使用的管子類(lèi)型以及我們?nèi)绾吻鍧嵲O(shè)備。”優(yōu)化過(guò)程涉及一種稱(chēng)為化學(xué)氣相傳輸?shù)募夹g(shù)，它通過(guò)生長(zhǎng)爐內(nèi)的溫差產(chǎn)生砷化硼晶體。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校博士后研究員Qiye Zheng說(shuō):“元素硼和砷在氣相中結(jié)合，然后冷卻并凝結(jié)成小晶體。我們結(jié)合了廣泛的材料表征和試錯(cuò)合成，找到了生產(chǎn)高質(zhì)量晶體的條件?！?/p>

為了測(cè)量砷化硼晶體的導(dǎo)熱系數(shù)，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究小組采用了一種稱(chēng)為“時(shí)域熱反射”（TDTR）的方法。該方法是過(guò)去的12年里在伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)的。伊利諾伊大學(xué)材料科學(xué)與工程系主任兼本研究論文的通訊作者David Cahill教授表示：“TDTR方法使我們能夠在各種條件下測(cè)量幾乎所有材料的導(dǎo)熱系數(shù)，該方法對(duì)于這項(xiàng)工作的成功至關(guān)重要?！?/p>

Qiye Zheng表示：“我們測(cè)量了本研究中生產(chǎn)的數(shù)十種砷化硼晶體，發(fā)現(xiàn)該材料的導(dǎo)熱系數(shù)比目前用作散熱器的最佳材料高三倍?！?/p>

圖為David Cahill教授

重大意義

Bing Lv指出：“我認(rèn)為砷化硼對(duì)未來(lái)電子產(chǎn)品的發(fā)展?jié)摿薮?。它的半?dǎo)體特性與硅非常相似，這就是將砷化硼加入半導(dǎo)體器件理想選擇的原因?！?/p>

下一步工作

研究人員表示，該研究工作的下一步將是嘗試其他工藝來(lái)改善這種材料在大規(guī)模應(yīng)用中的生長(zhǎng)和性能。

項(xiàng)目支持

這項(xiàng)研究工作由美國(guó)海軍研究辦公室和空軍科學(xué)研究辦公室支持。

成果發(fā)表

“High thermal conductivity in cubic boron arsenide crystals”. DOI: 10.1126/science.aat8982