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研究人员找到了其中最好的半导体吗?
2022年07月23日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

硅是地球上最丰富的元素之一,以其纯净的形式,这种材料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非理想。

首先,尽管硅可以让电子轻松地穿过其结构,但它对“空穴”的适应能力要差得多鈥攅电子的正电荷对应物鈥攁对于某些类型的芯片来说,利用这两种技术很重要。此外,硅不善于导热,这就是为什么过热问题和昂贵的冷却系统在计算机中很常见的原因。

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,表明一种称为立方砷化硼的材料克服了这两个限制。它为电子和空穴提供高迁移率,并具有良好的导热性。研究人员说,这是迄今为止发现的最好的半导体材料,也可能是最好的。

到目前为止,立方砷化硼只在实验室小批量生产和测试,不均匀。研究人员不得不使用最初由前麻省理工学院博士后白松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能否以实用、经济的形式制造,更不用说取代无处不在的硅了。但研究人员说,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。

这些发现发表在《科学》杂志上,发表在麻省理工学院博士后申正宇和麻省理工学院机械工程教授陈刚的一篇论文中;休斯顿大学任志峰;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DavidBroido的工作,他是这篇新论文的合著者,从理论上预测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。这项最新的研究通过实验证实了陈团队在2018年做出的一个预测,完成了分析:立方砷化硼对电子和空穴也具有非常高的迁移率,“这使得这种材料非常独特,”陈说。

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,这对于散热来说非常有吸引力,”陈说。他们还表明,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,新的工作填补了这一空白,表明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品质。陈说:“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都具有较小电阻的材料。”。

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

“热现在是许多电子产品的主要瓶颈,”该论文的主要作者申说。“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,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,其导热系数比硅高10倍,迁移率高得多。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”,最初由宋开发。他说,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。

他说,立方砷化硼的电子性质最初是根据陈团队的量子力学密度函数计算得出的,这些预测现在已经通过麻省理工学院的实验得到验证,实验使用了任和休斯顿大学团队成员制作的样品的光学检测方法。

研究人员说,这种材料的导热性不仅是所有半导体中最好的,而且在所有材料中导热性排名第三鈥攏扩展到金刚石和同位素富集的立方氮化硼。陈说:“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。”。

他说:“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。”。“这是一种具有这些特性的散装材料。”

他说,现在的挑战是找出切实可行的方法,使这种材料达到可用数量。目前制造这种材料的方法产生了非常不均匀的材料,因此团队必须找到方法来测试材料的局部小块,这些小块均匀到足以提供可靠的数据。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,”陈说。

“硅是整个行业的主力军,”陈说。“那么,好吧,我们有了一种更好的材料,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一个设备并取代当前市场的一部分,我认为这仍有待证明。”

陈说,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。“要制造设备,还有许多其他因素我们还不知道。”

他补充道:“这可能真的很重要,人们甚至都没有真正注意到这些材料。”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,“也许会对这种材料给予更多的关注。”

对于商业用途,任说,“一个巨大的挑战将是如何生产和提纯立方砷化硼和硅一样有效。鈥?硅花了几十年的时间才赢得桂冠,纯度超过99.99999%,即今天大规模生产的“10个9”。"

陈说,要使其在市场上变得实用,“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。”他说,是否有必要的资金用于此类开发仍有待观察。

本故事由麻省理工学院新闻网(web.MIT.edu/newoffice/)转载,该网站是一个热门网站,涵盖麻省理工学院研究、创新和教学方面的新闻。

标签:技术中心精细化学品
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