科學家發現“最佳半導體材料”立方砷化硼，成果已發表於《科學》

IT之家 7 月 24 日消息，半導體材料是一種導電能力介於導體和絕緣體之間、可用來製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。

現階段，人類文明現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註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現了一種名為“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，又有優良的導電率，而且還具有極高的導熱特性。

科學家表示，這是迄今為止發現的最好的半導體材料，或許放眼未來也會是最好的那個。相關成果已經發表在近期的《科學》雜誌上，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、中科院任志峯（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模量產和測試，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、經濟的形式製造出來，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。但研究人員説，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衞・布羅伊多 (David Broido) 在內的早期研究，從理論上預測這種材料將具有較高的熱導率，並在隨後的工作中證實了這一預測。

IT之家瞭解到，這項工作通過實驗證實了陳剛團隊在 2018 年提出的一個預測並完成分析：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傳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。“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，如果你要製造一個芯片，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（如廣泛用於激光器的砷化鎵）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。

“熱量現在是許多電子產品的主要瓶頸，”該論文的主要作者 Shin 稱，“碳化硅正在取得包括特斯拉在內的主要電動汽車行業的青睞，因為儘管它電遷移率較低，但其導熱率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以達到什麼效果，其導熱率和遷移率比硅高 10 倍。這足以改變遊戲規則。”

Shin 補充道，立方砷化硼的電子特性最初是根據陳剛團隊所做的量子力學密度函數計算來預測的，現在這些預測已經通過在 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製作的樣品進行檢測。

研究人員説，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 —— 僅次於金剛石和富含同位素的立方氮化硼。“現在，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，”他説。“這是一種具有這些特性的散裝材料。”

當然，陳剛也強調，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，例如其長期穩定性。

他補充説，“這可能非常重要，人們甚至沒有真正關注過這種材料。” 現在，砷化硼的理想特性已經變得更加清晰，這表明該材料“在許多方面都是最好的半導體”。