MIT陳剛團(tuán)隊(duì)新研究登Science：迄今最好的半導(dǎo)體材料，比硅還強(qiáng)
發(fā)布人：旺材芯片
時(shí)間：2022-07-22
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硅是地球上最豐富的元素之一，已然成為現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)，從太陽(yáng)能電池到計(jì)算機(jī)芯片都有硅的身影。但硅特性在半導(dǎo)體領(lǐng)域遠(yuǎn)非理想首選。雖然在熱量傳導(dǎo)和電子遷移方面更強(qiáng)，但研究者表示他們也不知道可以將立方砷化硼用在什么地方，實(shí)現(xiàn)商業(yè)用途更是面臨巨大挑戰(zhàn)。
一方面，盡管硅可以讓電子輕松穿過(guò)其結(jié)構(gòu)，但它不太適合「電洞，holes」，電洞相當(dāng)于帶正電的粒子，在半導(dǎo)體的導(dǎo)電中起主要作用，因此對(duì)芯片來(lái)說(shuō)很重要。
更重要的是，硅不太擅長(zhǎng)導(dǎo)熱，這就是為什么過(guò)熱問(wèn)題和昂貴的冷卻系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中很常見(jiàn)的原因。
現(xiàn)在，來(lái)自 MIT、休斯頓大學(xué)和其他機(jī)構(gòu)的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種稱為立方砷化硼的材料，這種材料可以克服硅的上述兩個(gè)限制。其為電子和電洞提供了高遷移率，并具有優(yōu)良的熱導(dǎo)率。研究人員表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)最好的半導(dǎo)體材料，在將來(lái)也可能說(shuō)是最好的材料。該研究登上《Science》。
該研究使用了麻省理工學(xué)院 MRSEC 共享實(shí)驗(yàn)設(shè)施，并得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持。
論文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4290
立方砷化硼解決硅兩大難題
不過(guò)，到目前為止，立方砷化硼的研究還處于在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模批量生產(chǎn)和測(cè)試階段。因此研究人員采用最初由前 MIT 博士后 Bai Song 開(kāi)發(fā)的特殊方法來(lái)測(cè)試材料中的小區(qū)域。研究者還需要做更多的工作來(lái)確定立方砷化硼是否可以以實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的形式制造，現(xiàn)在看來(lái)替代無(wú)處不在的硅也是很遙遠(yuǎn)的事。研究人員表示，即使在不久的將來(lái)，這種材料也可以找到一些其他用途，其獨(dú)特的特性會(huì)產(chǎn)生重大影響。
MIT 博士后 Jungwoo Shin 以及機(jī)械工程教授陳剛（Gang Chen）在論文中報(bào)道了這一發(fā)現(xiàn)，休斯頓大學(xué) Zhifeng Ren 也參與了這項(xiàng)研究 。
其實(shí)這項(xiàng)研究早已經(jīng)展開(kāi)，David Broido 等人（本篇論文作者之一）從理論上預(yù)測(cè)該材料將具有高熱導(dǎo)率。隨后的研究也證明了這一預(yù)測(cè)。發(fā)表在《Science 》上的最新工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了陳剛團(tuán)隊(duì)早在 2018 年做出的預(yù)測(cè)，從而完成了分析：立方砷化硼對(duì)電子和電洞具有非常高的遷移率，這使得這種材料非常獨(dú)特，陳剛表示 。
較早的實(shí)驗(yàn)表明，立方砷化硼的熱導(dǎo)率幾乎是硅的 10 倍。「所以，這對(duì)于散熱來(lái)說(shuō)非常有吸引力，」陳剛表示。他們還表明，該材料具有非常好的帶隙，這一特性使其具有作為半導(dǎo)體材料的巨大潛力。
這項(xiàng)新研究表明砷化硼具有高電子和電洞遷移率，具有理想半導(dǎo)體所需的所有主要品質(zhì)。「這很重要，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，同時(shí)有正電荷和負(fù)電荷。所以，如果你要制造一個(gè)設(shè)備，你想要一種電子和電洞都以較小的阻力傳播的材料。」陳剛表示。
論文一作 Shin 表示，「熱量是很多電子設(shè)備面臨的一個(gè)主要瓶頸。碳化硅正在取代包括特斯拉在內(nèi)主要電動(dòng)汽車(chē)廠商使用的動(dòng)力電子硅產(chǎn)品，盡管它的電子遷移率更差，但熱導(dǎo)率是硅的三倍。」可以想象一下，砷化硼可以達(dá)到什么效果呢？要知道，它的熱導(dǎo)率是硅的 10 倍，遷移率也比硅強(qiáng)得多。砷化硼可以「改變游戲規(guī)則」。
Shin 還補(bǔ)充道，使砷化硼這一發(fā)現(xiàn)成為可能的關(guān)鍵性里程碑是 MIT 在超快激光光柵系統(tǒng)方面取得的進(jìn)展。如果沒(méi)有這些進(jìn)展，就不可能證明砷化硼對(duì)電子和電洞的高遷移率。
立方砷化硼的電子屬性最初是根據(jù)陳剛團(tuán)隊(duì)所做的量子力學(xué)密度函數(shù)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)的。現(xiàn)在，這些預(yù)測(cè)已經(jīng)通過(guò) MIT 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)使用了關(guān)于樣本的光學(xué)檢測(cè)方法。
立方砷化硼的熱導(dǎo)率不僅是所有半導(dǎo)體中最好的，在所有材料中也排第三，僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。陳剛對(duì)此表示，現(xiàn)在已經(jīng)可以從第一性原理預(yù)測(cè)電子和電洞的量子力學(xué)行為，并被證明是正確的。除了石墨烯外，不知道是否還有其他材料具備所有這些屬性。
挑戰(zhàn)及未來(lái)改進(jìn)方向
談到挑戰(zhàn)，陳剛表示要找出使立方砷化硼這一材料達(dá)到可用數(shù)量的實(shí)用方法。當(dāng)前方法會(huì)導(dǎo)致該材料非常不均勻，因此必須找到方法來(lái)測(cè)試它的小的局部 patch。
陳剛也承認(rèn)，雖然他們已經(jīng)展示了這一材料的巨大前景，但「尚不清楚是否或者在什么地方可以實(shí)際使用?！?/span>
目前，硅仍是整個(gè)行業(yè)的主力。即使立方砷化硼是一種更好的材料，但它真的能顛覆這個(gè)行業(yè)嗎？研究者無(wú)法給出答案。雖然這一材料看起來(lái)是一種理想的半導(dǎo)體，但是否可以在設(shè)備中實(shí)際使用以及取代目前市場(chǎng)上的一些產(chǎn)品，這些都有待證明。
雖然熱性能和電性能都已被證明非常出色，但立方砷化硼的很多其他屬性仍然有待測(cè)試，比如長(zhǎng)期穩(wěn)定性。并且，人們甚至都沒(méi)有真正關(guān)注到砷化硼。
至于實(shí)現(xiàn)商業(yè)用途，Ren 認(rèn)為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是像硅一樣高效地生產(chǎn)和純化立方砷化硼。硅花了幾十年才「贏得桂冠」，純度超過(guò)了 99.99999999%。
因此，立方砷化硼的研究和開(kāi)發(fā)依然有很長(zhǎng)的路要走。
更具體的細(xì)節(jié)內(nèi)容請(qǐng)參閱原論文。
參考鏈接：https://news.mit.edu/2022/best-semiconductor-them-all-0721https://uh.edu/news-events/stories/2022-news-articles/july-2022/07212022-semiconductor-materials.phphttps://searchcio.techtarget.com.cn/whatis/8-28670/
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