性能优于硅的半导体材料

半导体的见解

• 立方砷化硼比硅更适合用于半导体芯片，因为它能更好地导热，并能处理电子中带正电荷的空穴。
• 虽然从研究的角度来看这是一个好消息，但立方砷化硼还没有在实验室测试之外被制造出来，而且不知道它是否能以一种实用、经济的形式制造出来，以取代硅。
• 硅有它的缺点，但它仍然是一种丰富的元素，制造商习惯于把沙子变成主宰我们日常生活的机器。它似乎不太可能被取代，但也许这样的发展将有助于使现有产品更好。

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硅是地球上储量最丰富的元素之一，从太阳能电池到计算机芯片，纯硅材料已经成为许多现代技术的基础。但是硅作为半导体的性能远非理想。

首先，尽管硅很容易让电子嗖嗖地穿过它的结构，但它对“空穴”(电子的正电荷对应物)的适应能力要差得多，而利用这两者对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。

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，表明一种被称为立方砷化硼的材料克服了这两个限制。它为电子和空穴提供了高迁移率，并具有优异的导热性。研究人员说，这是迄今为止发现的最好的半导体材料，也许是最好的半导体材料。

到目前为止，立方砷化硼只在小批量、实验室规模的不均匀批次中制造和测试。研究人员不得不使用由前麻省理工学院博士后宋白(Bai Song)最初开发的特殊方法来测试材料中的小区域。还需要做更多的工作来确定立方砷化硼是否能以一种实用、经济的形式制造出来，更不用说取代无处不在的硅了。但研究人员说，即使在不久的将来，这种材料也可以在某些方面得到应用，在这些方面，它的独特性质将产生重大影响。

的报告了调查结果在杂志中科学在MIT博士后Jungwoo Shin和MIT机械工程教授Gang Chen的一篇论文中;休斯顿大学任志峰教授;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。

填补硅缝隙

早期的研究，包括这篇新论文的合著者大卫·布罗伊多(David Broido)的工作，从理论上预测这种材料将具有高导热性;随后的工作用实验证明了这一预测。这项最新的工作通过实验证实了Chen的团队在2018年做出的预测，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。

早期的实验表明，立方砷化硼的导热系数几乎是硅的10倍。“因此，这对于散热来说非常有吸引力，”陈说。他们还表明，这种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，新的工作填补了这幅图，显示了砷化硼对电子和空穴的高迁移率，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，我们同时具有正电荷和负电荷。所以，如果你要制造一个设备，你想要有一种电子和空穴都以更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，如广泛用于激光的砷化镓，同样具有良好的电子迁移率，但对空穴迁移率不高。

该论文的第一作者Shin说:“热量现在是许多电子产品的主要瓶颈。”“碳化硅正在取代硅，用于包括特斯拉在内的主要电动汽车行业的电力电子产品，因为碳化硅的热传导率是硅的三倍，尽管其电迁移率较低。想象一下，砷化硼能达到什么效果，导热系数比硅高10倍，迁移率也比硅高得多。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步，”最初由Song开发。他说，如果没有这项技术，就不可能证明这种材料对电子和空穴的高迁移率。

他说，立方砷化硼的电子性质最初是基于陈的团队所做的量子力学密度函数计算而预测的，这些预测现在已经通过麻省理工学院进行的实验得到了验证，使用光学检测方法对Ren和休斯顿大学团队成员所做的样品进行了测试。

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，它的热导率在所有材料中排名第三，仅次于钻石和同位素富集的立方氮化硼。“现在，我们预测了电子和空穴量子力学行为，也是从第一性原理，这也被证明是正确的，”陈说。

他说:“这令人印象深刻，因为除了石墨烯，我不知道还有其他任何材料具有所有这些特性。”“这是一种具有这些特性的散装材料。”

使立方砷化硼更加普遍

他说，现在的挑战是找出实用的方法，使这种材料达到可用的数量。目前制造这种材料的方法非常不均匀，所以研究小组必须找到方法来测试材料的局部小块，这些小块足够均匀，以提供可靠的数据。虽然他们已经展示了这种材料的巨大潜力，但“它是否或将在哪里实际使用，我们不知道，”陈说。

“硅是整个行业的主力，”陈说。“所以，好吧，我们有了更好的材料，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“它是否能真正应用到设备中，并取代目前市场上的一些产品，我认为这还有待证明。”

陈说，虽然热学和电学性能已经被证明是优秀的，但这种材料的许多其他性能还有待测试，比如它的长期稳定性。“要制造设备，还有许多我们还不知道的因素。”

他补充说:“这可能真的很重要，而人们甚至还没有真正关注过这些材料。”他说，现在砷化硼的理想性能已经变得更加清晰，这表明这种材料“在许多方面都是最好的半导体”，“也许会有更多的人关注这种材料。”

对于商业用途，Shin说:“一个巨大的挑战是如何像硅一样有效地生产和提纯立方砷化硼。硅花了几十年的时间才赢得桂冠，纯度超过99.99999999%，也就是今天大规模生产的‘10个9’。”

为了在市场上变得实用，陈说，“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。”这种发展是否有必要的资金还有待观察。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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