华人科学家发现迄今为止“最佳半导体材料”

7 月 24 日消息，半导体材料是一种导电能力介于导体和绝缘体之间、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料，例如硼、金刚石、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等，或者 SiC 这种合成材料。

现阶段，人类文明现代科技便是建立在以硅为代表的这类半导体材料之上的成果，从太阳能电池到芯片都离不开它，但因导热和其它原因硅也注定了无法成为最理想的半导体材料。

7 月 22 日，来自美国麻省理工学院、休斯顿大学和其它机构的科研团队发现了一种名为"立方砷化硼"的材料突破了这两个限制，它既能为电子和空穴提供高迁移率，又有优良的电导率，而且还具有极高的导热特性。

同期《科学》杂志也刊登了中国科学院联合美国休斯敦大学团队的相关研究成果。该研究用不同的测量方法证实了立方砷化硼的高双极性迁移率，甚至在材料样本中的一些位置发现了比理论计算更高的双极性迁移率。

参与研究的中国科学院国家纳米科学中心副研究员岳帅介绍说，双极性迁移率"决定了半导体材料的逻辑运算速度，迁移率越高则运算速度越快"。

研究人员表示，到目前为止立方砷化硼只在实验室规模进行了制备和测试，下一步的研究将围绕如何经济、大量地生产这种材料，从而真正促进半导体产业发展。

科学家表示，这是迄今为止发现的最好的半导体材料，或许放眼未来也会是最好的那个。相关成果已经发表在近期的《科学》杂志上，作者栏中包括多位华人，例如麻省理工学院机械工程教授陈刚、中科院任志峰（休斯敦大学）等。

▼ DOI：10.1126 / science.abn4290。

当然，到目前为止，立方砷化硼还只能在实验室小规模量产和测试，而且不均匀。我们还需要做更多的工作来确定立方砷化硼是否能以一种实用、经济的形式制造出来，目前来看要想取代地球上无处不在的硅还有很长一段路要走。但研究人员说，即使在不久的将来，这种材料也可能找到一些用途，使其独特的特性产生重大影响。

此次的科研成果涉及到麻省理工学院、休斯顿大学、得克萨斯大学奥斯汀分校和波士顿学院的其他 14 所大学。包括这篇新论文的合著者大卫・布罗伊多 (David Broido) 在内的早期研究，从理论上预测这种材料将具有较高的热导率，并在随后的工作中证实了这一预测。

了解到，这项工作通过实验证实了陈刚团队在 2018 年提出的一个预测并完成分析：立方砷化硼对电子和空穴也有很高的迁移率，"这使这种材料真正变得独特，"他表示。

他们还表明，这种材料有一个非常好的带隙（能系，泛指半导体或绝缘体的价带顶端至导带底端的能量差距），这一特性赋予了它作为半导体材料的巨大潜力。

这项新工作证实，砷化硼具有高电子和空穴迁移率，具有理想半导体所需的所有主要品质。"这很重要，因为当然在半导体中，我们同时有正电荷和负电荷。所以，如果你要制造一个芯片，你需要一种电子和空穴阻力都较小的材料，"陈刚表示。

据介绍，目前普遍使用的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）同样具有良好的电子迁移率，但对空穴不具有良好的迁移率。

"热量现在是许多电子产品的主要瓶颈，"该论文的主要作者 Shin 称，"碳化硅正在取得包括特斯拉在内的主要电动汽车行业的青睐，因为尽管它电迁移率较低，但其热导率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以达到什么效果，其热导率和迁移率比硅高 10 倍。这足以改变游戏规则。"

Shin 补充道，立方砷化硼的电子特性最初是根据陈刚团队所做的量子力学密度泛函理论来预测的，现在这些预测已经通过在 MIT 进行的实验得到验证，该实验使用了光学检测方法对他们和休斯顿大学团队成员制作的样品进行检测。

研究人员说，这种材料的热导率不仅是所有半导体中最好的，而且甚至可以在所有材料热导率中排到第三 -- 仅次于金刚石和富含同位素的立方氮化硼。"现在，我们也从第一原理预测了电子和空穴的量子力学行为，这也被证明是正确的"。

"这令人印象深刻，因为除了石墨烯之外，我实际上不知道有任何其他材料具有所有这些特性，"他说。"这是一种具有这些特性的散装材料。"

当然，陈刚也强调，虽然它的热性能和电性能都已被证明非常出色，但这种材料的许多其他性能还有待测试，例如其长期稳定性。

他补充说，"这可能非常重要，人们甚至没有真正关注过这种材料。" 现在，砷化硼的理想特性已经变得更加清晰，这表明该材料"在许多方面都是最好的半导体"。