MIT陳剛團隊新研究登Science：迄今最好的半導體材料，比硅還強

來源：機械之心

雖然在熱量傳導和電子遷移方面更強，但研究者表示他們也不知道可以將立方砷化硼用在什么地方，實現商業用途更是面臨巨大挑戰。

硅是地球上最豐富的元素之一，已然成為現代技術的基礎，從太陽能電池到計算機芯片都有硅的身影。但硅特性在半導體領域遠非理想首選。
一方面，盡管硅可以讓電子輕松穿過其結構，但它不太適合「電洞，holes」，電洞相當于帶正電的粒子，在半導體的導電中起主要作用，因此對芯片來說很重要。
更重要的是，硅不太擅長導熱，這就是為什么過熱問題和昂貴的冷卻系統在計算機中很常見的原因。
現在，來自 MIT、休斯頓大學和其他機構的一組研究人員發現了一種稱為立方砷化硼的材料，這種材料可以克服硅的上述兩個限制。其為電子和電洞提供了高遷移率，并具有優良的熱導率。研究人員表示，這是迄今為止發現最好的半導體材料，在將來也可能說是最好的材料。該研究登上《Science》。
該研究使用了麻省理工學院 MRSEC 共享實驗設施，并得到了美國國家科學基金會的支持。

論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4290
立方砷化硼解決硅兩大難題
不過，到目前為止，立方砷化硼的研究還處于在實驗室小規模批量生產和測試階段。因此研究人員采用最初由前 MIT 博士后 Bai Song 開發的特殊方法來測試材料中的小區域。研究者還需要做更多的工作來確定立方砷化硼是否可以以實用、經濟的形式制造，現在看來替代無處不在的硅也是很遙遠的事。研究人員表示，即使在不久的將來，這種材料也可以找到一些其他用途，其獨特的特性會產生重大影響。
MIT 博士后 Jungwoo Shin 以及機械工程教授陳剛（Gang Chen）在論文中報道了這一發現，休斯頓大學 Zhifeng Ren 也參與了這項研究 。

左為一作 Jungwoo Shin，右為陳剛。

其實這項研究早已經展開，David Broido 等人（本篇論文作者之一）從理論上預測該材料將具有高熱導率。隨后的研究也證明了這一預測。發表在《Science 》上的最新工作通過實驗證實了陳剛團隊早在 2018 年做出的預測，從而完成了分析：立方砷化硼對電子和電洞具有非常高的遷移率，這使得這種材料非常獨特，陳剛表示 。
較早的實驗表明，立方砷化硼的熱導率幾乎是硅的 10 倍。「所以，這對于散熱來說非常有吸引力，」陳剛表示。他們還表明，該材料具有非常好的帶隙，這一特性使其具有作為半導體材料的巨大潛力。
這項新研究表明砷化硼具有高電子和電洞遷移率，具有理想半導體所需的所有主要品質。「這很重要，因為在半導體中，同時有正電荷和負電荷。所以，如果你要制造一個設備，你想要一種電子和電洞都以較小的阻力傳播的材料。」陳剛表示。

砷化硼單晶。

論文一作 Shin 表示，「熱量是很多電子設備面臨的一個主要瓶頸。碳化硅正在取代包括特斯拉在內主要電動汽車廠商使用的動力電子硅產品，盡管它的電子遷移率更差，但熱導率是硅的三倍。」可以想象一下，砷化硼可以達到什么效果呢？要知道，它的熱導率是硅的 10 倍，遷移率也比硅強得多。砷化硼可以「改變游戲規則」。
Shin 還補充道，使砷化硼這一發現成為可能的關鍵性里程碑是 MIT 在超快激光光柵系統方面取得的進展。如果沒有這些進展，就不可能證明砷化硼對電子和電洞的高遷移率。
立方砷化硼的電子屬性最初是根據陳剛團隊所做的量子力學密度函數計算來預測的。現在，這些預測已經通過 MIT 的實驗驗證，該實驗使用了關于樣本的光學檢測方法。
立方砷化硼的熱導率不僅是所有半導體中最好的，在所有材料中也排第三，僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。陳剛對此表示，現在已經可以從第一性原理預測電子和電洞的量子力學行為，并被證明是正確的。除了石墨烯外，不知道是否還有其他材料具備所有這些屬性。
挑戰及未來改進方向
談到挑戰，陳剛表示要找出使立方砷化硼這一材料達到可用數量的實用方法。當前方法會導致該材料非常不均勻，因此必須找到方法來測試它的小的局部 patch。
陳剛也承認，雖然他們已經展示了這一材料的巨大前景，但「尚不清楚是否或者在什么地方可以實際使用。」
目前，硅仍是整個行業的主力。即使立方砷化硼是一種更好的材料，但它真的能顛覆這個行業嗎？研究者無法給出答案。雖然這一材料看起來是一種理想的半導體，但是否可以在設備中實際使用以及取代目前市場上的一些產品，這些都有待證明。

圖源：pexels

雖然熱性能和電性能都已被證明非常出色，但立方砷化硼的很多其他屬性仍然有待測試，比如長期穩定性。并且，人們甚至都沒有真正關注到砷化硼。
至于實現商業用途，Ren 認為一個巨大的挑戰是像硅一樣高效地生產和純化立方砷化硼。硅花了幾十年才「贏得桂冠」，純度超過了 99.99999999%。
因此，立方砷化硼的研究和開發依然有很長的路要走。
更具體的細節內容請參閱原論文。
參考鏈接：https://news.mit.edu/2022/best-semiconductor-them-all-0721https://uh.edu/news-events/stories/2022-news-articles/july-2022/07212022-semiconductor-materials.phphttps://searchcio.techtarget.com.cn/whatis/8-28670/

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