一种具有极高导热性的半导体材料砷化硼

美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员合作优化了化合物半导体砷化硼（BA）的晶体生长过程，砷化硼材料具有优异的热性能并能有效地散发出电子设备产生的热量。该研究结果发表2018年7月5日的美国《科学》杂志上，标志着先前预测的一类超高导热率材料的首次实现。

研究背景

随着我们继续构建更小、更快、更强大的电子设备，寻找防止计算机芯片过热的方法变得越来越具有挑战性，可将其称为一个真正开始“升温”的问题。

大多数计算机芯片是由硅制成的，硅是一种结晶半导体材料，能够充分散热。但是新型的器件吸引更多的电流并产生更多的热量，即使在器件中加入其他冷却技术，硅的散热能力也已经达到极限。

德克萨斯大学达拉斯分校物理学助理教授Bing Lv表示：“对于高功率的小型电子产品，我们不能使用金属来散热，因为金属会导致短路，我们无法应用冷却风扇因为空间有限。虽然金刚石偶尔被用到要求严格的散热应用中，但天然金刚石的成本和人造金刚石薄膜的结构缺陷使得这种材料在电子产品中的广泛应用变得不切实际。我们需要的是一种廉价的半导体，且能散发出大量的热量。”

研究内容及结果

研究成果砷化硼是一种具有极高导热性的半导体材料，但它不是天然存在的材料，因此科学家必须在实验室中对其进行合成。该材料还需要具有非常特殊的结构和低缺陷密度，以使其具有峰值导热率，从而使其生长以非常受控的方式发生。

Bing Lv和他的同事已经生产出砷化硼晶体，他们过去三年的工作重点是提高砷化硼的性能。先前的研究曾预测砷化硼散热性能可同热导率最高的金刚石材料相媲美。虽然金刚石广泛应用到电子产品中是不切实际的，但其导热系数约为2200 W/mK。相比之下，硅的导热系数约为150 W/mK。Bing Lv的前期工作产生了导热系数约为200 W/mK的砷化硼晶体，通过优化晶体生长过程，Bing Lv和他的团队已经设法将该值提高到约1000 W/mK。

图为用电子显微镜成像的砷化硼晶体

Bing Lv 表示：“要从之前的200 W/mK提升到1000 W/mK，我们需要调整许多参数，包括我们开始使用的原材料、生长炉的温度和压力，甚至我们使用的管子类型以及我们如何清洁设备。”优化过程涉及一种称为化学气相传输的技术，它通过生长炉内的温差产生砷化硼晶体。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士后研究员Qiye Zheng说:“元素硼和砷在气相中结合，然后冷却并凝结成小晶体。我们结合了广泛的材料表征和试错合成，找到了生产高质量晶体的条件。”

为了测量砷化硼晶体的导热系数，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究小组采用了一种称为“时域热反射”（TDTR）的方法。该方法是过去的12年里在伊利诺伊大学开发的。伊利诺伊大学材料科学与工程系主任兼本研究论文的通讯作者David Cahill教授表示：“TDTR方法使我们能够在各种条件下测量几乎所有材料的导热系数，该方法对于这项工作的成功至关重要。”

Qiye Zheng表示：“我们测量了本研究中生产的数十种砷化硼晶体，发现该材料的导热系数比目前用作散热器的最佳材料高三倍。”

图为David Cahill教授

重大意义

Bing Lv指出：“我认为砷化硼对未来电子产品的发展潜力巨大。它的半导体特性与硅非常相似，这就是将砷化硼加入半导体器件理想选择的原因。”

下一步工作

研究人员表示，该研究工作的下一步将是尝试其他工艺来改善这种材料在大规模应用中的生长和性能。

项目支持

这项研究工作由美国海军研究办公室和空军科学研究办公室支持。

成果发表

“High thermal conductivity in cubic boron arsenide crystals”. DOI: 10.1126/science.aat8982