IT之家 7 月 24 日消息，半導體材料是一種導電能力介于導體和絕緣體之間、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料，例如硼、金剛石、鍺、硅、灰錫、銻、硒、碲等，或者 SiC 這種合成材料。
現(xiàn)階段，人類文明現(xiàn)代科技便是建立在以硅為代表的這類半導體材料之上的成果，從太陽能電池到芯片都離不開它，但因導熱和其它原因硅也注定了無法成為最理想的半導體材料。
7 月 22 日，來自美國麻省理工學院、休斯頓大學和其它機構的科研團隊發(fā)現(xiàn)了一種名為“立方砷化硼”的材料突破了這兩個限制，它既能為電子和空穴提供高遷移率，又有優(yōu)良的電導率，而且還具有極高的導熱特性。
同期《科學》雜志也刊登了中國科學院聯(lián)合美國休斯敦大學團隊的相關研究成果。該研究用不同的測量方法證實了立方砷化硼的高雙極性遷移率，甚至在材料樣本中的一些位置發(fā)現(xiàn)了比理論計算更高的雙極性遷移率。
參與研究的中國科學院國家納米科學中心副研究員岳帥介紹說，雙極性遷移率“決定了半導體材料的邏輯運算速度，遷移率越高則運算速度越快”。
研究人員表示，到目前為止立方砷化硼只在實驗室規(guī)模進行了制備和測試，下一步的研究將圍繞如何經(jīng)濟、大量地生產(chǎn)這種材料，從而真正促進半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
科學家表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導體材料，或許放眼未來也會是最好的那個。相關成果已經(jīng)發(fā)表在近期的《科學》雜志上，作者欄中包括多位華人，例如麻省理工學院機械工程教授陳剛、中科院任志峰（休斯敦大學）等。
▼ DOI：10.1126 / science.abn4290。
當然，到目前為止，立方砷化硼還只能在實驗室小規(guī)模量產(chǎn)和測試，而且不均勻。我們還需要做更多的工作來確定立方砷化硼是否能以一種實用、經(jīng)濟的形式制造出來，目前來看要想取代地球上無處不在的硅還有很長一段路要走。但研究人員說，即使在不久的將來，這種材料也可能找到一些用途，使其獨特的特性產(chǎn)生重大影響。
此次的科研成果涉及到麻省理工學院、休斯頓大學、得克薩斯大學奧斯汀分校和波士頓學院的其他 14 所大學。包括這篇新論文的合著者大衛(wèi)?布羅伊多 (David Broido) 在內(nèi)的早期研究，從理論上預測這種材料將具有較高的熱導率，并在隨后的工作中證實了這一預測。
IT之家了解到，這項工作通過實驗證實了陳剛團隊在 2018 年提出的一個預測并完成分析：立方砷化硼對電子和空穴也有很高的遷移率，“這使這種材料真正變得獨特，”他表示。
他們還表明，這種材料有一個非常好的帶隙（能系，泛指半導體或絕緣體的價帶頂端至導帶底端的能量差距），這一特性賦予了它作為半導體材料的巨大潛力。
這項新工作證實，砷化硼具有高電子和空穴遷移率，具有理想半導體所需的所有主要品質(zhì)。“這很重要，因為當然在半導體中，我們同時有正電荷和負電荷。所以，如果你要制造一個芯片，你需要一種電子和空穴阻力都較小的材料，”陳剛表示。
據(jù)介紹，目前普遍使用的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，但對空穴不具有良好的遷移率。
“熱量現(xiàn)在是許多電子產(chǎn)品的主要瓶頸，”該論文的主要作者 Shin 稱，“碳化硅正在取得包括特斯拉在內(nèi)的主要電動汽車行業(yè)的青睞，因為盡管它電遷移率較低，但其熱導率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以達到什么效果，其熱導率和遷移率比硅高 10 倍。這足以改變游戲規(guī)則?！?/p>
Shin 補充道，立方砷化硼的電子特性最初是根據(jù)陳剛團隊所做的量子力學密度泛函理論來預測的，現(xiàn)在這些預測已經(jīng)通過在 MIT 進行的實驗得到驗證，該實驗使用了光學檢測方法對他們和休斯頓大學團隊成員制作的樣品進行檢測。
研究人員說，這種材料的熱導率不僅是所有半導體中最好的，而且甚至可以在所有材料熱導率中排到第三 —— 僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。“現(xiàn)在，我們也從第一原理預測了電子和空穴的量子力學行為，這也被證明是正確的”。
“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，”他說?！斑@是一種具有這些特性的散裝材料。”
當然，陳剛也強調(diào)，雖然它的熱性能和電性能都已被證明非常出色，但這種材料的許多其他性能還有待測試，例如其長期穩(wěn)定性。
他補充說，“這可能非常重要，人們甚至沒有真正關注過這種材料?！?nbsp;現(xiàn)在，砷化硼的理想特性已經(jīng)變得更加清晰，這表明該材料“在許多方面都是最好的半導體”。
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