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(yáng)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(lái)說(shuō),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(guò)熱問(wèn)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(lái)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(lái),還需要做更多的工作,更不用說(shuō)取代無(wú)處不在的硅了。但研究人員表示,即使在不久的將來(lái),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(guò)實(shí)驗(yàn)證明了這一預(yù)測(cè)。這項(xiàng)最新的研究通過(guò)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(lái)說(shuō)它就非常有吸引力,”Chen說(shuō)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(méi)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(méi)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(guò)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(shuō)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(lái)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(shuō)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(lái)幾乎是一種理想的半導(dǎo)體,“但它是否真的能用來(lái)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(zhǎng)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(shuō)道:“這真的很重要,人們甚至沒(méi)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(shuō)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(guò)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(lái)制造更好的材料并對(duì)其進(jìn)行表征。”
審核編輯 :李倩
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原文標(biāo)題:它會(huì)成為最好的半導(dǎo)體材料嗎?
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