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麻省理工學院發現性能遠優于硅的半導體“立方砷化硼”

2022-08-09 16:20 中國航空報

來自麻省理工學院研究人員以及其合作伙伴已經發現了一種性能比硅好得多的材料。下一步是找到實用和經濟的方法來制造它。硅是地球上最豐富的元素之一,以其純粹的形式,這種半導體材料已成為許多現代技術的基礎,包括微電子計算機芯片和太陽能電池。然而,硅作為一種半導體的特性實際上遠非理想。

其中一個原因是,盡管硅允許電子輕易地在其結構中流動,但它對“空穴”——電子帶正電的對應物的適應性要差得多,而利用這兩者對特定類型的設備至關重要。此外,硅在傳輸熱量方面做得很差,這導致了計算機中頻繁的過熱問題和昂貴的冷卻系統。

現在,來自麻省理工學院、休斯敦大學和其他機構的一個科學家團隊已經進行了實驗,顯示一種名為立方砷化硼的材料克服了這兩個限制。除了為電子和空穴提供高遷移率外,它還具有出色的導熱性。據研究人員說,它是迄今發現的最好的半導體材料,也許是可能的最好的材料。

迄今為止,立方砷化硼只在實驗室規模的小批次中被制造和測試,而這些批次并不均勻。事實上,為了測試材料中的小區域,科學家們不得不使用最初由麻省理工學院博士后白松開發的特殊方法。要確定立方砷化硼是否能以實用、經濟的形式制成,更不用說取代無處不在的硅還需要更多的工作。但研究人員說,即使在不久的將來,這種材料也能找到一些用途,其獨特的性能將產生重大的影響。

今年7月21日,麻省理工學院博士后Jungwoo Shin和麻省理工學院機械工程教授Gang Chen;休斯敦大學的Zhifeng Ren;以及麻省理工學院、休斯敦大學、得克薩斯大學奧斯汀分校和波士頓學院的其他14人在《科學》雜志上報告了這些發現。

早期的研究包括David Broido的工作,他是新論文的共同作者,從理論上預測該材料將具有高導熱性。隨后的工作通過實驗證明了這一預測。這項最新工作通過實驗證實了Chen的小組在2018年做出的預測,從而完成了分析,“立方砷化硼也將具有非常高的電子和空穴遷移率,這使得這種材料真的很獨特。”Chen說。

早期的實驗表明,立方砷化硼的熱導率幾乎是硅的10倍。“因此,僅就散熱而言,這非常有吸引力。”Chen說。他們還表明,這種材料有一個非常好的帶隙,這一特性使它作為一種半導體材料具有巨大的潛力。

現在,新的工作填補了這一空白,表明憑借其電子和空穴的高遷移率,砷化硼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,正電和負電都是等價的。因此,如果建立一個設備,希望有一種材料,讓電子和空穴都以較小的阻力移動。”Chen說。

硅具有良好的電子遷移率,但空穴遷移率較差,而其他材料,如廣泛用于激光器的砷化鎵,同樣具有良好的電子遷移率,但空穴遷移率不高。

論文的主要作者Shin說:“熱量現在是許多電子產品的一個主要瓶頸。碳化硅正在取代硅,用于電動車行業的電力電子設備,因為它的導熱性比硅高三倍,盡管它的電子遷移率較低。想象一下,砷化硼可以實現什么,它的導熱性比硅高10倍,移動性比硅高很多。它可以改變游戲規則。”

Shin補充說:“使這一發現成為可能的關鍵里程碑是因為麻省理工學院的超快激光光柵系統的進展。”這種技術最初是由Song 開發。他說,如果沒有這種技術,就不可能證明這種材料的電子和空穴的高流動性。

立方砷化硼的電子特性最初是根據Chen的小組所做的量子力學密度函數計算來預測的,而這些預測現在已經通過在麻省理工學院進行的實驗得到了驗證,該實驗使用光學檢測方法對Ren和休斯頓大學的團隊成員制作的樣品進行檢測。

該材料的導熱性不僅是所有半導體中最好的,而且科學家們還說它的導熱性在所有材料中排名第三——僅次于鉆石和富含同位素的立方氮化硼。“而現在,我們預測了電子和空穴的量子力學行為,也是從第一原理出發,這也被證明是真實的,”Chen說,“這令人印象深刻,因為除了石墨烯之外,我實際上不知道有任何其他材料具有所有這些特性。而這是一種具有這些特性的散裝材料。”

Chen表示,現在的挑戰是找出實用的方法,以可用的數量制造這種材料。目前制造它的方法產生了非常不均勻的材料,因此該團隊必須找到方法來測試只是小塊的局部材料,這些材料足夠均勻以提供可靠的數據。雖然他們已經證明了這種材料的巨大潛力,但“它是否或在哪里會被真正使用,我們并不知道。”Chen說,“硅是整個行業的主力,我們已經有了一種更好的材料,但它是否真的會威脅這個行業?我們不知道。雖然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導體,它是否真的能進入設備并取代目前的一些市場,我認為這仍有待證明。”

而且,雖然該材料熱和電性能已被證明是優秀的,但一種材料的許多其他性能還有待測試,例如它的長期穩定性,Chen說:“為了制造設備,還有許多其他因素我們還不知道。”這有可能真的很重要,而人們甚至還沒有真正注意到這種材料?,F在,砷化硼的理想特性已經變得更加明確,表明這種材料在許多方面是最好的半導體,也許人們會更加關注這種材料。

展望商業用途,Ren說:“一個巨大的挑戰將是如何像硅一樣有效地生產和凈化立方砷化硼。……硅花了幾十年的時間贏得了桂冠,其純度超過99.99999999%,即今天大規模生產的‘10個9’。”

為了使它在市場上變得實用,“它確實需要更多的人開發不同的方法來制造更好的材料并對其進行表征。”Chen說,這種開發的必要資金是否能得到,還有待觀察。

責任編輯:intern2