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这种新材料,有望成为最好的半导体

发布时间:2022-10-14 18:59:45

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硅是地球上最丰富的元素之一,它的纯形式已经成为许多现代技术的基础,从太阳能电池到计算机芯片。但硅作为半导体的特性远不理想。


一方面,虽然硅可以让电子很容易地通过其结构,但它不适合毫无根据——电子的正电对应——使用它们对某些类型的芯片非常重要。更重要的是,硅不擅长导热,这就是为什么过热问题和昂贵的冷却系统在计算机中非常常见。


现在,麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一组研究人员进行了实验,表明一种叫做立方砷化硼的材料克服了这两个限制。它为电子和空穴位提供了高迁移率优异的导热性。研究人员说,这是迄今为止发现的最好的半导体材料,也许是最好的。


到目前为止,立方砷化硼只是在小批量实验室规模不均匀的批次中制造和测试的。研究人员不得不使用最初由前MIT博士后BaiSong开发的特殊方法来测试材料中的小区域。需要做更多的工作来确定立方砷化硼是否可以以实用和经济的形式制造,更不用说取代无处不在的硅了。研究人员表示,即使在不久的将来,这种材料也能找到一些用途,其独特的特性将产生重大影响。


该发现今天发表在《科学》杂志上,由麻省理工学院博士后杰森和麻省理工学院机械工程教授杰森撰写。此外,参与者还包括休斯顿大学任志峰以及麻省理工学院、休斯顿大学、德克萨斯大学奥斯汀分校和波士顿学院的其他14人。


早期的研究,包括大卫·布罗伊多卫·布罗伊多的工作,理论上预测了这种材料将具有高导热性。随后的工作通过实验证明了这一预测。最新的工作证实了Chen团队早在2018年就做出了预测,从而完成了分析:立方砷化硼对电子和空穴位的迁移率也很高,这使得这种材料非常独特,Chen说。


早期的实验表明,立方砷化硼的导热系数几乎是硅的10倍。所以,这对散热很有吸引力,chen说。他们还表明,该材料具有非常好的间隙,使其具有作为半导体材料的巨大潜力。


现在,这项新工作填补了这幅画,表明砷化硼具有高电子和孔隙迁移率,以及理想半导体所需的所有主要质量。这很重要,因为当然,在半导体中,我们也有正负电荷。所以,如果你制造了一个设备,你想要一种电子和孔隙以较小的阻力传播的材料,克里斯说。


硅具有良好的电子迁移率,但孔隙迁移率较差,而其他材料(如泛用于激光的砷化镓)也具有良好的电子迁移率,但孔隙迁移率不好。


热量现在是许多电子产品的主要瓶颈,论文的主要作者西安说。碳化硅正在取代主要电动汽车行业的电力电子产品硅,包括特斯拉,因为尽管电迁移率很低,但它的导热性是硅的三倍。想象一下砷化硼达到什么效果,它的导热性和迁移率是硅的10倍。它可以改变游戏规则。


Shin补充说,麻省理工学院超快激光光栅系统的进步是使这一发现成为可能的关键里程碑,Shin最初是由Song开发的。他说,没有这种技术,就不可能证明这种材料对电子和空穴位的高迁移率。


他说,立方砷化硼的电子特性最初是根据Chen团队制作的量子力学密度函数计算来预测的。现在这些预测已经通过MIT实验得到验证,使用了休斯顿大学团队Ren及其成员制作的样品的光学检测方法。


研究人员说,这种材料的导热系数不仅是所有半导体中最好的,而且在所有材料中排名第三,仅次于金刚石和富含同位素的立方氮化硼。现在,我们也从第一原理预测了电子和毫无根据的量子力学行为,这也被证明是正确的,chen说。


这令人印象深刻,因为除了石墨烯,我不知道其他任何材料都有这些特性,他说。这是一种具有这些特性的散装材料。


他说,目前的挑战是找到实用的方法来实现这种材料的数量。目前,制造非常不均匀的材料的方法,所以团队必须找到测试材料的小局部补丁的方法,这些补丁足够均匀,以提供可靠的数据。虽然他们已经证明了这种材料的巨大潜力,但我们不知道它是否实际使用或在哪里使用,他说。


硅是整个行业的主力军,chen说。所以,好吧,我们有更好的材料,但它真的会抵消这个行业吗?我们不知道。虽然这种材料看起来几乎是一种理想的半导体,但它是否真的能进入设备并取代一些目前的市场,我认为还有待证明。


chen说,虽然热性能和电性能已经被证明是优秀的,但材料的许多其他性能仍有待测试,比如它们的长期稳定性。制造设备还有很多其他我们不知道的因素。


他补充说:这可能非常重要,人们甚至没有真正关注这种材料。现在砷化硼的理想特性变得更加清晰,这表明该材料在许多方面都是最好的半导体,他说,也许这种材料会得到更多的关注。


一个巨大的挑战是如何像硅一样有效地生产和如何像硅一样有效地生产和纯化立方砷化硼...硅花了几十年才赢得冠军,纯度超过99.999999%,或者今天的大规模生产是‘10个9’。


chen说,要使其在市场上实用,确实需要更多的人开发不同的方法来制造更好的材料并表达它。他说,这种开发所需的资金是否可用还有待观察。


该研究得到了美国海军研究办公室的支持,使用了麻省理工学院MRSEC共享实验设施的设施,并得到了国家科学基金会的支持。

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