2022
07/28
相关创新主体

创新背景

硅是地球上最丰富的元素之一,已然成为现代技术的基础,从太阳能电池到计算机芯片都有硅的身影。但硅特性在半导体领域远非理想首选。
一方面,尽管硅可以让电子轻松穿过其结构,但它不太适合「电洞,holes」,电洞相当于带正电的粒子,在半导体的导电中起主要作用,因此对芯片来说很重要。
更重要的是,硅不太擅长导热,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。

 

创新过程

来自麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一组研究人员发现了一种称为立方砷化硼的材料,这种材料可以克服硅的上述两个限制。其为电子和电洞提供了高迁移率,并具有优良的热导率。研究人员表示,这是迄今为止发现最好的半导体材料,在将来也可能说是最好的材料。该研究登上《Science》。

该研究使用了麻省理工学院 MRSEC 共享实验设施,并得到了美国国家科学基金会的支持。

热量是很多电子设备面临的一个主要瓶颈。碳化硅正在取代包括特斯拉在内主要电动汽车厂商使用的动力电子硅产品,尽管它的电子迁移率更差,但热导率是硅的三倍。
然而立方砷化硼的热导率几乎是硅的 10 倍,迁移率也比硅强得多。所以,这对于散热来说非常有吸引力。他们还表明,该材料具有非常好的带隙,这一特性使其具有作为半导体材料的巨大潜力。

立方砷化硼的电子属性最初是根据陈刚团队所做的量子力学密度函数计算来预测的。在这项实验中,麻省理工学院利用关于样本的光学检测的方法,成功证实了这些预测。

目前为止,立方砷化硼的研究还处于在实验室小规模批量生产和测试阶段。因此研究人员采用最初由前麻省理工博士后 Bai Song 开发的特殊方法来测试材料中的小区域。研究者还需要做更多的工作来确定立方砷化硼是否可以以实用、经济的形式制造,现在看来替代无处不在的硅也是很遥远的事。
研究人员表示,即使在不久的将来,这种材料也可以找到一些其他用途,其独特的特性会产生重大影响。

 

创新价值

本项研究通过实验证实了陈刚团队早在 2018 年做出的预测,从而完成了分析:立方砷化硼对电子和电洞具有非常高的迁移率,这使得这种材料非常独特,为半导体材料的研究提供了新的方向。

 

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