硅是地球上最豐富的元素之一，它已經(jīng)成為許多現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，從太陽能電池到計(jì)算機(jī)芯片。但硅作為半導(dǎo)體材料所具備的特性還不夠理想。

一方面，盡管硅可以讓電子輕松地在其結(jié)構(gòu)中穿行，但它對(duì)“空穴”（電子正電荷對(duì)應(yīng)物）的適應(yīng)能力要差得多，而這對(duì)某些類型的芯片來說，這兩者都很重要。此外，硅不善于導(dǎo)熱，這就是為什么計(jì)算機(jī)中存在過熱問題并需配備昂貴的冷卻系統(tǒng)的原因。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的一個(gè)研究人員團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表明一種稱為立方砷化硼的材料克服了這兩個(gè)限制。它可為電子和空穴都提供高遷移率，并具有良好的導(dǎo)熱性。研究人員表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料。

目前為止，立方砷化硼只在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小批量生產(chǎn)和測(cè)試。研究人員不得不使用最初由前麻省理工學(xué)院博士后Bai Song開發(fā)的特殊方法來測(cè)試材料中的小區(qū)域。要確定立方砷化硼能否以實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的方法制造出來，還需要做更多的工作，更不用說取代無處不在的硅了。但研究人員表示，即使在不久的將來，這種材料也可能在某些用途中發(fā)揮重要作用，其獨(dú)特的特性將產(chǎn)生重大影響。

早期研究，也包括了David Broido的研究工作，他從理論上預(yù)測(cè)了這種材料將具有高導(dǎo)熱性；隨后的研究工作通過實(shí)驗(yàn)證明了這一預(yù)測(cè)。這項(xiàng)最新的研究通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Chen團(tuán)隊(duì)在2018年做出的一個(gè)預(yù)測(cè)，并完成了分析：立方砷化硼對(duì)電子和空穴都具有非常高的遷移率，“這使得這種材料非常獨(dú)特，”Chen表示。

早期的實(shí)驗(yàn)表明，立方砷化硼的熱導(dǎo)率幾乎是硅的10倍。“所以，就僅散熱來說它就非常有吸引力，”Chen說道。他們還證實(shí)了，該材料具有很好的帶隙，這一特性使其成為半導(dǎo)體材料具有很大的潛力。

現(xiàn)在，新的研究工作填補(bǔ)了這一空白，表明了砷化硼具有電子和空穴的高遷移率，具備理想半導(dǎo)體所需的所有主要特性。Chen表示：“這很重要，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，正電荷和負(fù)電荷是相等的。因此，如果你制造一個(gè)器件，你需要一種電子和空穴移動(dòng)時(shí)電阻都較小的材料。”

硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料，如廣泛應(yīng)用于激光器的砷化鎵，同樣對(duì)電子具有良好的遷移率，但是對(duì)空穴則沒有。

“散熱是許多電子產(chǎn)品的主要瓶頸，”研究人員Shin表示，“在包括特斯拉（Tesla）在內(nèi)的主要電動(dòng)汽車行業(yè)中，碳化硅正在取代硅作為電力電子產(chǎn)品材料，因?yàn)楸M管碳化硅的電遷移率較低，但其導(dǎo)熱系數(shù)比硅高出三倍。想象一下，砷化硼可以實(shí)現(xiàn)什么樣的效果，其導(dǎo)熱系數(shù)是硅的10倍，遷移率要高得多。它可以改變游戲規(guī)則。”

Shin補(bǔ)充道：“使這一發(fā)現(xiàn)成為可能的關(guān)鍵里程碑是麻省理工學(xué)院超快激光光柵系統(tǒng)的進(jìn)步，”這一系統(tǒng)最初由Song開發(fā)。他表示，如果沒有這種技術(shù)，就不可能證明這種材料對(duì)電子和空穴的高遷移率。

他表示，立方砷化硼的電子特性最初是根據(jù)Chen團(tuán)隊(duì)的量子力學(xué)密度函數(shù)預(yù)測(cè)得出的，這些預(yù)測(cè)現(xiàn)在已經(jīng)通過麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)使用了Ren和休斯頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員制作的樣品的光學(xué)檢測(cè)方法。

研究人員表示，這種材料的導(dǎo)熱性不僅是所有半導(dǎo)體中最好的，而且在所有材料中，它的導(dǎo)熱性排名第三，僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。Chen說道：“現(xiàn)在，我們預(yù)測(cè)了電子和空穴的量子力學(xué)行為，也是根據(jù)第一原理，這也被證明是正確的。”

他表示：“這令人印象深刻，因?yàn)槌耸┲猓也恢肋€有任何其他材料具有所有這些特性。”

Chen表示，現(xiàn)在我們面臨的挑戰(zhàn)是找出切實(shí)可行的方法，生產(chǎn)足夠多的這種材料。目前制造這種材料的方法智能產(chǎn)生非常不均勻的材料，因此團(tuán)隊(duì)必須找到方法來對(duì)一小塊材料進(jìn)行測(cè)試，使這些小塊材料足夠均勻以提供可靠的數(shù)據(jù)。雖然他們已經(jīng)證明了這種材料的巨大潛力，“但我們不知道它是否會(huì)被實(shí)際使用，也不知道它會(huì)在哪里使用，”Chen說道。

“硅是整個(gè)行業(yè)的主力軍，”Chen表示。“所以，好吧，我們有了一種更好的材料，但它真的會(huì)在這個(gè)行業(yè)中作為后備軍嗎？我們不知道。”雖然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導(dǎo)體，“但它是否真的能用來制造一個(gè)器件并取代當(dāng)前市場(chǎng)的一部分，我認(rèn)為這還有待證明。”

雖然熱性能和電性能已經(jīng)被證明是優(yōu)異的，但一種材料還有許多其他性能有待測(cè)試，例如其長期穩(wěn)定性。“要制造器件，還有許多其他因素我們還不知道。”Chen表示。

他補(bǔ)充說道：“這真的很重要，人們甚至沒有真正注意到這種材料。”現(xiàn)在，砷化硼的理想特性已經(jīng)變得更加清楚，這表明該材料“在許多方面是最好的半導(dǎo)體，”他說道，“也許行業(yè)會(huì)對(duì)這種材料給予更多關(guān)注。”

對(duì)于其商業(yè)應(yīng)用，Ren表示：“一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是如何像硅一樣有效地生產(chǎn)和提純立方砷化硼。硅花了幾十年的時(shí)間才贏得桂冠，其純度超過99.99999%。”

硅已獲市場(chǎng)肯定，Chen表示：“確實(shí)需要更多的人開發(fā)出不同的方法來制造更好的材料并對(duì)其進(jìn)行表征。”

審核編輯 ：李倩