研究人員發現了一種性能比硅好得多的材料。下一步是尋找實用且經濟的方法來實現它。

硅是地球上豐富的元素之一，其純凈形式已成為許多現代技術的基礎，從太陽能電池到計算機芯片。但硅作為半導體的特性遠非理想。

一方面，盡管硅可以讓電子輕松穿過其結構，但它不太適合“空穴”——電子的帶正電對應物——而利用兩者對于某些類型的芯片很重要。更重要的是，硅不太擅長導熱，這就是為什么過熱問題和昂貴的冷卻系統在計算機中很常見的原因。

現在，麻省理工學院、休斯頓大學和其他機構的一組研究人員進行了實驗，表明一種稱為立方砷化硼的材料克服了這兩個限制。它為電子和空穴提供高遷移率，并具有的導熱性。研究人員說，這是迄今為止發現的的半導體材料，也許是的一種。

到目前為止，立方砷化硼只是在不均勻的小批量實驗室規模的批次中制造和測試。研究人員不得不使用初由前 MIT 博士后 Bai Song 開發的特殊方法來測試材料中的小區域。需要做更多的工作來確定立方砷化硼是否可以以實用、經濟的形式制造，更不用說替代無處不在的硅了。研究人員說，但即使在不久的將來，這種材料也可以找到一些用途，其獨特的特性會產生重大影響。

該發現今天發表在《科學》雜志上，由麻省理工學院博士后 Jungwoo Shin 和麻省理工學院機械工程教授 Gang Chen 撰寫。休斯頓大學任志峰；麻省理工學院、休斯頓大學、德克薩斯大學奧斯汀分校和波士頓學院的其他 14 人。

早期的研究，包括新論文的合著者大衛·布羅伊多的工作，從理論上預測該材料將具有高導熱性。隨后的工作通過實驗證明了這一預測。這項工作通過實驗證實了 Chen 團隊早在 2018 年所做的預測，從而完成了分析：立方砷化硼對電子和空穴也具有非常高的遷移率，“這使得這種材料非常獨特，”Chen 說。

較早的實驗表明，立方砷化硼的熱導率幾乎是硅的 10 倍。“所以，這對于散熱來說非常有吸引力，”陳說。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體材料的巨大潛力。

現在，這項新工作填補了這幅圖景，表明砷化硼具有高電子和空穴遷移率，具有理想半導體所需的所有主要品質。“這很重要，因為當然在半導體中，我們同時有正電荷和負電荷。所以，如果你制造一個設備，你想要一種電子和空穴都以較小的阻力傳播的材料，”Chen 說。

硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料（如廣泛用于激光器的砷化鎵）同樣具有良好的電子遷移率，但對空穴不具有良好的遷移率。

“熱量現在是許多電子產品的主要瓶頸，”該論文的主要作者 Shin 說。“碳化硅正在取代包括特斯拉在內的主要電動汽車行業的電力電子產品硅，因為盡管電遷移率較低，但它的導熱率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以達到什么效果，其導熱率和遷移率比硅高 10 倍。它可以改變游戲規則。”

Shin 補充說，“使這一發現成為可能的關鍵里程碑是麻省理工學院超快激光光柵系統的進步，”初由 Song 開發。他說，如果沒有這種技術，就不可能證明該材料對電子和空穴的高遷移率。

他說，立方砷化硼的電子特性初是根據 Chen 的小組所做的量子力學密度函數計算來預測的，現在這些預測已經通過在 MIT 進行的實驗得到驗證，該實驗使用了 Ren 及其成員制作的樣品的光學檢測方法。休斯頓大學的團隊。

研究人員說，這種材料的熱導率不僅是所有半導體中的，而且在所有材料中熱導率第三——僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。“現在，我們也從原理預測了電子和空穴的量子力學行為，這也被證明是正確的，”陳說。

“這令人印象深刻，因為除了石墨烯之外，我實際上不知道有任何其他材料具有所有這些特性，”他說。“這是一種具有這些特性的散裝材料。”

他說，現在的挑戰是找出使這種材料達到可用數量的實用方法。目前制造非常不均勻的材料的方法，因此團隊必須找到方法來測試材料的小局部補丁，這些補丁足夠均勻以提供可靠的數據。雖然他們已經證明了這種材料的巨大潛力，但“我們不知道它是否或在哪里實際使用，”陳說。

“硅是整個行業的主力，”陳說。“所以，好吧，我們有一種更好的材料，但它真的會抵消這個行業嗎？我們不知道。” 雖然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導體，但“它是否真的可以進入設備并取代目前的一些市場，我認為這還有待證明。”

陳說，雖然熱性能和電性能已被證明非常，但材料的許多其他性能仍有待測試，例如其長期穩定性。“要制造設備，還有許多我們還不知道的其他因素。”

他補充說，“這可能非常重要，人們甚至沒有真正關注過這種材料。” 現在砷化硼的理想特性已經變得更加清晰，這表明該材料“在許多方面都是的半導體”，他說，“也許這種材料會受到更多關注。”

對于商業用途，Shin 說，“一個巨大的挑戰是如何像硅一樣有效地生產和純化立方砷化硼。……硅花了幾十年的時間才贏得桂冠，純度超過 99.99999999%，或者今天的大規模生產是 '10 個九'。”

陳說，要使其在市場上實用，“確實需要更多的人開發不同的方法來制造更好的材料并對其進行表征。” 他說，這種發展所需的資金是否可用還有待觀察。

該研究得到了美國海軍研究辦公室的支持，并使用了麻省理工學院 MRSEC 共享實驗設施的設施，并得到了科學基金會的支持。