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迄今发现的最佳半导体材料:立方砷化硼兼具导电和导热优势

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据最新一期《科学》杂志,来自美国麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一个研究团队进行的实验表明,一种名为立方砷化硼的材料克服了硅作为半导体的两个限制:为电子和空穴提供很高的迁移率,并具有良好的导热性能。研究人员说,它可能是迄今为止发现的最好的半导体材料。

研究人员表示,立方砷化硼是迄今为止发现的最好的半导体材料。

图片来源:克里斯汀·丹尼洛夫/麻省理工学院

硅作为半导体材料,其性能仍存在缺陷。尽管硅中的电子很容易通过它的结构,但它的空穴迁移率较差。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,但不具有空穴迁移率。更重要的是,硅不太善于传导热量,因此芯片温度总是过热。

论文主要作者之一、麻省理工学院机械工程教授陈刚领导的团队于2018年预测,立方砷化硼对电子和空穴都有非常高的迁移率,最新研究证实了这一点。

早期实验表明,立方砷化硼的导热系数几乎是硅的10倍。这对于散热来说非常有吸引力。研究还证明,这种材料具有非常好的带隙,这一特性使其作为半导体材料具有巨大潜力。

新研究表明,砷化硼具有理想半导体所需的所有主要品质,因为它具有电子和空穴的高迁移率。研究人员指出,这一点很重要,因为在半导体中,正电荷和负电荷是相等的。因此,如果要制造一种设备,就希望有一种电子和空穴的移动阻力更小的材料。

热量是目前许多电子产品的主要瓶颈,在包括特斯拉在内的主要电动汽车行业中,碳化硅正取代硅成为电力电子产品,因为它的导热系数是硅的3倍,尽管它的电子迁移率较低。砷化硼的导热系数是硅的10倍,迁移率也比硅高得多,这可能改变游戏规则。

到目前为止,立方砷化硼只在实验室规模进行了制造和测试,这些产品并不均匀,还需要更多的工作来确定能否以实用、经济的形式制造立方砷化硼。但研究人员表示,在不久的将来,人们可能发现这种材料的一些优势用途,其独特的性质将带来明显改观。

硅在半导体行业的“武林盟主”地位已维系几十年。随着电子终端产品向精密高端的方向一路狂奔,人们渐渐发现,这位“武林盟主”并非全能冠军,也有一些软肋。于是乎,氮化镓、碳化硅、氧化锌等各种材料跃跃欲试,前来参加新盟主擂台赛。比赛规则很简单:不能仅凭实验室研究数据说话,更要看在产业中的应用效果。对于新晋选手立方砷化硼而言同样如此,要想证明自己,还需在产业应用中拿出真凭实绩。