Нашли ли исследователи лучший полупроводник из всех?

Кремний – один из самых распространенных элементов на Земле, и в чистом виде этот материал стал основой многих современных технологий, от солнечных батарей до компьютерных чипов. Но свойства кремния как полупроводника далеки от идеальных.

Во—первых, хотя кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к “дыркам” — положительно заряженным аналогам электронов – и использование и того, и другого важно для некоторых видов чипов. Более того, кремний не очень хорошо проводит тепло, поэтому в компьютерах часто возникают проблемы с перегревом.

Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института, Хьюстонского университета и других институтов провела эксперименты, показывающие, что материал, известный как кубический арсенид бора, преодолевает оба этих ограничения. Он обеспечивает высокую подвижность как электронов, так и дырок и обладает отличной теплопроводностью. По словам исследователей, это лучший полупроводниковый материал, когда-либо найденный.

До сих пор кубический арсенид бора производился и испытывался только небольшими партиями в лабораторных условиях, которые не являются однородными. Исследователям пришлось использовать специальные методы, первоначально разработанные бывшим доктором Массачусетского технологического института Бай Сонгом, для тестирования небольших областей внутри материала. Потребуется больше работы, чтобы определить, можно ли получить кубический арсенид бора в практичной и экономичной форме, не говоря уже о замене вездесущего кремния. Но даже в ближайшем будущем материал может найти какое-то применение, где его уникальные свойства будут иметь существенное значение, говорят исследователи.

Результаты опубликованы в журнале Science в статье доктора Чон Ву Шин и профессора Ган Чена; и 14 других сотрудников Массачусетского технологического института, Хьюстонского университета, Техасского университета в Остине и Бостонского колледжа.

Более ранние исследования, в том числе работа Дэвида Бройдо, который является соавтором новой статьи, теоретически предсказывали, что материал будет обладать высокой теплопроводностью; последующая работа подтвердила это предсказание экспериментально.

Более ранние эксперименты показали, что теплопроводность кубического арсенида бора почти в 10 раз больше, чем у кремния. Они также показали, что материал обладает очень хорошей запрещенной зоной, свойством, которое придает ему большой потенциал в качестве полупроводникового материала.

Теперь новая работа дополняет картину, показывая, что благодаря своей высокой подвижности как для электронов, так и для дырок арсенид бора обладает всеми основными качествами, необходимыми для идеального полупроводника.

Кремний обладает хорошей подвижностью электронов, но плохой подвижностью дырок, а другие материалы, такие как арсенид галлия, широко используемый для лазеров, также обладают хорошей подвижностью для электронов, но не для дырок.

“Тепло в настоящее время является основным узким местом для многих электронных устройств”, – говорит Шин, ведущий автор статьи. “Карбид кремния заменяет кремний для силовой электроники в основных отраслях электромобилей, включая Tesla, поскольку он обладает в три раза более высокой теплопроводностью, чем кремний, несмотря на его более низкую электрическую подвижность. Представьте себе, чего могут достичь арсениды бора, обладающие в 10 раз более высокой теплопроводностью и гораздо более высокой подвижностью, чем кремний. Это может изменить ход игры”.

По словам ученого электронные свойства кубического арсенида бора были первоначально предсказаны на основе расчетов квантово-механической функции плотности, выполненных группой Чена, и теперь эти предсказания были подтверждены экспериментами, проведенными в Массачусетском технологическом институте с использованием методов оптического обнаружения на образцах, изготовленных Реном и членами команды из Университета Хьюстона.

Исследователи говорят, что этот материал не только обладает лучшей теплопроводностью среди всех полупроводников, но и занимает третье место по теплопроводности среди всех материалов – после алмаза и изотопно обогащенного кубического нитрида бора.

Сейчас задача состоит в том, чтобы найти практические способы производства этого материала в пригодных для использования количествах. Современные методы его изготовления дают очень неоднородный материал, поэтому команде пришлось найти способы протестировать только небольшие локальные участки материала, которые были бы достаточно однородными, чтобы получить надежные данные.