硅作为半导体材料所具备的特性还不够理想

硅是地球上最丰富的元素之一，它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。但硅作为半导体材料所具备的特性还不够理想。

一方面，尽管硅可以让电子轻松地在其结构中穿行，但它对“空穴”（电子正电荷对应物）的适应能力要差得多，而这对某些类型的芯片来说，这两者都很重要。此外，硅不善于导热，这就是为什么计算机中存在过热问题并需配备昂贵的冷却系统的原因。

现在，麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一个研究人员团队进行了实验，表明一种称为立方砷化硼的材料克服了这两个限制。它可为电子和空穴都提供高迁移率，并具有良好的导热性。研究人员表示，这是迄今为止发现的最好的半导体材料。

目前为止，立方砷化硼只在实验室进行小批量生产和测试。研究人员不得不使用最初由前麻省理工学院博士后Bai Song开发的特殊方法来测试材料中的小区域。要确定立方砷化硼能否以实用、经济的方法制造出来，还需要做更多的工作，更不用说取代无处不在的硅了。但研究人员表示，即使在不久的将来，这种材料也可能在某些用途中发挥重要作用，其独特的特性将产生重大影响。

早期研究，也包括了David Broido的研究工作，他从理论上预测了这种材料将具有高导热性；随后的研究工作通过实验证明了这一预测。这项最新的研究通过实验证实了Chen团队在2018年做出的一个预测，并完成了分析：立方砷化硼对电子和空穴都具有非常高的迁移率，“这使得这种材料非常独特，”Chen表示。

早期的实验表明，立方砷化硼的热导率几乎是硅的10倍。“所以，就仅散热来说它就非常有吸引力，”Chen说道。他们还证实了，该材料具有很好的带隙，这一特性使其成为半导体材料具有很大的潜力。

现在，新的研究工作填补了这一空白，表明了砷化硼具有电子和空穴的高迁移率，具备理想半导体所需的所有主要特性。Chen表示：“这很重要，因为在半导体中，正电荷和负电荷是相等的。因此，如果你制造一个器件，你需要一种电子和空穴移动时电阻都较小的材料。”

硅具有良好的电子迁移率，但空穴迁移率较差，而其他材料，如广泛应用于激光器的砷化镓，同样对电子具有良好的迁移率，但是对空穴则没有。

“散热是许多电子产品的主要瓶颈，”研究人员Shin表示，“在包括特斯拉（Tesla）在内的主要电动汽车行业中，碳化硅正在取代硅作为电力电子产品材料，因为尽管碳化硅的电迁移率较低，但其导热系数比硅高出三倍。想象一下，砷化硼可以实现什么样的效果，其导热系数是硅的10倍，迁移率要高得多。它可以改变游戏规则。”

Shin补充道：“使这一发现成为可能的关键里程碑是麻省理工学院超快激光光栅系统的进步，”这一系统最初由Song开发。他表示，如果没有这种技术，就不可能证明这种材料对电子和空穴的高迁移率。

他表示，立方砷化硼的电子特性最初是根据Chen团队的量子力学密度函数预测得出的，这些预测现在已经通过麻省理工学院的实验得到验证，实验使用了Ren和休斯顿大学团队成员制作的样品的光学检测方法。

研究人员表示，这种材料的导热性不仅是所有半导体中最好的，而且在所有材料中，它的导热性排名第三，仅次于金刚石和富含同位素的立方氮化硼。Chen说道：“现在，我们预测了电子和空穴的量子力学行为，也是根据第一原理，这也被证明是正确的。”

他表示：“这令人印象深刻，因为除了石墨烯之外，我不知道还有任何其他材料具有所有这些特性。”

Chen表示，现在我们面临的挑战是找出切实可行的方法，生产足够多的这种材料。目前制造这种材料的方法智能产生非常不均匀的材料，因此团队必须找到方法来对一小块材料进行测试，使这些小块材料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会被实际使用，也不知道它会在哪里使用，”Chen说道。

“硅是整个行业的主力军，”Chen表示。“所以，好吧，我们有了一种更好的材料，但它真的会在这个行业中作为后备军吗？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，“但它是否真的能用来制造一个器件并取代当前市场的一部分，我认为这还有待证明。”

虽然热性能和电性能已经被证明是优异的，但一种材料还有许多其他性能有待测试，例如其长期稳定性。“要制造器件，还有许多其他因素我们还不知道。”Chen表示。

他补充说道：“这真的很重要，人们甚至没有真正注意到这种材料。”现在，砷化硼的理想特性已经变得更加清楚，这表明该材料“在许多方面是最好的半导体，”他说道，“也许行业会对这种材料给予更多关注。”

对于其商业应用，Ren表示：“一个巨大的挑战是如何像硅一样有效地生产和提纯立方砷化硼。硅花了几十年的时间才赢得桂冠，其纯度超过99.99999%。”

硅已获市场肯定，Chen表示：“确实需要更多的人开发出不同的方法来制造更好的材料并对其进行表征。”

审核编辑 ：李倩