IT之家 7 月 24 日消息，半導(dǎo)體材料是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間、可用來制作半導(dǎo)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(dǎo)體材料之上的成果，從太陽能電池到芯片都離不開它，但因?qū)岷推渌蚬枰沧⒍藷o法成為最理想的半導(dǎo)體材料。

7 月 22 日，來自美國麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其它機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)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(dǎo)率，而且還具有極高的導(dǎo)熱特性。

同期《科學(xué)》雜志也刊登了中國科學(xué)院聯(lián)合美國休斯敦大學(xué)團(tuán)隊的相關(guān)研究成果。該研究用不同的測量方法證實(shí)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(xué)院國家納米科學(xué)中心副研究員岳帥介紹說，雙極性遷移率“決定了半導(dǎo)體材料的邏輯運(yùn)算速度，遷移率越高則運(yùn)算速度越快”。

研究人員表示，到目前為止立方砷化硼只在實(shí)驗室規(guī)模進(jìn)行了制備和測試，下一步的研究將圍繞如何經(jīng)濟(jì)、大量地生產(chǎn)這種材料，從而真正促進(jìn)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

科學(xué)家表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料，或許放眼未來也會是最好的那個。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在近期的《科學(xué)》雜志上，作者欄中包括多位華人，例如麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授陳剛、中科院任志峰（休斯敦大學(xué)）等。

▼ DOI：10.1126 / science.abn4290。

當(dāng)然，到目前為止，立方砷化硼還只能在實(shí)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(shí)用、經(jīng)濟(jì)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(dú)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(xué)院、休斯頓大學(xué)、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和波士頓學(xué)院的其他 14 所大學(xué)。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(yù)測這種材料將具有較高的熱導(dǎo)率，并在隨后的工作中證實(shí)了這一預(yù)測。

IT之家了解到，這項工作通過實(shí)驗證實(shí)了陳剛團(tuán)隊在 2018 年提出的一個預(yù)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(dú)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(dǎo)體或絕緣體的價帶頂端至導(dǎo)帶底端的能量差距），這一特性賦予了它作為半導(dǎo)體材料的巨大潛力。

這項新工作證實(shí)，砷化硼具有高電子和空穴遷移率，具有理想半導(dǎo)體所需的所有主要品質(zhì)?！斑@很重要，因為當(dāng)然在半導(dǎo)體中，我們同時有正電荷和負(fù)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(dǎo)率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以達(dá)到什么效果，其熱導(dǎo)率和遷移率比硅高 10 倍。這足以改變游戲規(guī)則?！?/p>

Shin 補(bǔ)充道，立方砷化硼的電子特性最初是根據(jù)陳剛團(tuán)隊所做的量子力學(xué)密度泛函理論來預(yù)測的，現(xiàn)在這些預(yù)測已經(jīng)通過在 MIT 進(jìn)行的實(shí)驗得到驗證，該實(shí)驗使用了光學(xué)檢測方法對他們和休斯頓大學(xué)團(tuán)隊成員制作的樣品進(jìn)行檢測。

研究人員說，這種材料的熱導(dǎo)率不僅是所有半導(dǎo)體中最好的，而且甚至可以在所有材料熱導(dǎo)率中排到第三 —— 僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼?！艾F(xiàn)在，我們也從第一原理預(yù)測了電子和空穴的量子力學(xué)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(shí)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?！?/p>

當(dāng)然，陳剛也強(qiáng)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(bǔ)充說，“這可能非常重要，人們甚至沒有真正關(guān)注過這種材料。” 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(dǎo)體”。

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