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这种新材料,有望成为最好的半导体

发表时间:2022-07-22
来源:网络转载
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硅是地球上最丰富的元素之一,其纯净形式已成为许多现代技术的基础,从太阳能电池到计算机芯片。但硅作为半导体的特性远非理想。


一方面,尽管硅可以让电子轻松穿过其结构,但它不太适合“空穴”——电子的带正电对应物——而利用两者对于某些类型的芯片很重要。更重要的是,硅不太擅长导热,这就是为什么过热问题和昂贵的冷却系统在计算机中很常见的原因。


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现在,麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一组研究人员进行了实验,表明一种称为立方砷化硼(cubic boron arsenide)的材料克服了这两个限制。它为电子和空穴提供高迁移率,并具有出色的导热性。研究人员说,这是迄今为止发现的最好的半导体材料,也许是最好的一种。


到目前为止,立方砷化硼只是在不均匀的小批量实验室规模的批次中制造和测试。研究人员不得不使用最初由前 MIT 博士后 Bai Song 开发的特殊方法来测试材料中的小区域。需要做更多的工作来确定立方砷化硼是否可以以实用、经济的形式制造,更不用说替代无处不在的硅了。研究人员说,但即使在不久的将来,这种材料也可以找到一些用途,其独特的特性会产生重大影响。


该发现今天发表在《科学》杂志上,由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 撰写。此外,参与者还包括休斯顿大学任志峰以及来自麻省理工学院、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。


早期的研究,包括新论文的合著者大卫·布罗伊多的工作,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 团队早在 2018 年做出的预测,从而完成了分析:立方砷化硼对电子和空穴也具有非常高的迁移率,“这使得这种材料非常独特,”Chen 说。


较早的实验表明,立方砷化硼的热导率几乎是硅的 10 倍。“所以,这对于散热来说非常有吸引力,”chen说。他们还表明,该材料具有非常好的带隙,这一特性使其具有作为半导体材料的巨大潜力。


现在,这项新工作填补了这幅图景,表明砷化硼具有高电子和空穴迁移率,具有理想半导体所需的所有主要品质。“这很重要,因为当然在半导体中,我们同时有正电荷和负电荷。所以,如果你制造一个设备,你想要一种电子和空穴都以较小的阻力传播的材料,”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,但对空穴不具有良好的迁移率。


“热量现在是许多电子产品的主要瓶颈,”该论文的主要作者 Shin 说。“碳化硅正在取代包括特斯拉在内的主要电动汽车行业的电力电子产品硅,因为尽管电迁移率较低,但它的导热率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以达到什么效果,其导热率和迁移率比硅高 10 倍。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超快激光光栅系统的进步,”最初由 Song 开发。他说,如果没有这种技术,就不可能证明该材料对电子和空穴的高迁移率。


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,现在这些预测已经通过在 MIT 进行的实验得到验证,该实验使用了休斯顿大学的团队Ren 及其成员制作的样品的光学检测方法。


研究人员说,这种材料的热导率不仅是所有半导体中最好的,而且在所有材料中热导率排名第三——仅次于金刚石和富含同位素的立方氮化硼。“现在,我们也从第一原理预测了电子和空穴的量子力学行为,这也被证明是正确的,”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,”他说。“这是一种具有这些特性的散装材料。”


他说,现在的挑战是找出使这种材料达到可用数量的实用方法。目前制造非常不均匀的材料的方法,因此团队必须找到方法来测试材料的小局部补丁,这些补丁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“我们不知道它是否或在哪里实际使用,”chen说。


“硅是整个行业的主力,”chen说。“所以,好吧,我们有一种更好的材料,但它真的会抵消这个行业吗?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,但“它是否真的可以进入设备并取代目前的一些市场,我认为这还有待证明。”


chen说,虽然热性能和电性能已被证明非常出色,但材料的许多其他性能仍有待测试,例如其长期稳定性。“要制造设备,还有许多我们还不知道的其他因素。”


他补充说,“这可能非常重要,人们甚至没有真正关注过这种材料。” 现在砷化硼的理想特性已经变得更加清晰,这表明该材料“在许多方面都是最好的半导体”,他说,“也许这种材料会受到更多关注。”


对于商业用途,Ren 说,“一个巨大的挑战是如何像硅一样有效地生产和纯化立方砷化硼。……硅花了几十年的时间才赢得桂冠,纯度超过 99.99999999%,或者今天的大规模生产是 '10 个九'。”


chen说,要使其在市场上实用,“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。” 他说,这种发展所需的资金是否可用还有待观察。


该研究得到了美国海军研究办公室的支持,并使用了麻省理工学院 MRSEC 共享实验设施的设施,并得到了国家科学基金会的支持。