受戏剧影响立方氮化硼成为“有史以来最好的半导体”

有几个参数表明了是什么造就了一个好的半导体，但要称之为“最好的”，它需要达到比亚军更多的指标。鲜为人知的半导体立方砷化硼（c-BA）是争夺榜首的最新竞争者。

 

c-BA的原子结构。图片由麻省理工学院和Christine Daniloff提供

 

最近，来自麻省理工学院、休斯顿大学、得克萨斯大学奥斯汀分校和波士顿学院的17名研究人员共同撰写了一篇论文，详细阐述了用于检查与c-BA半导体特性相关的理论计算的光学瞬态光栅技术。

考虑到这一点，本文将研究c-BA的独特之处，并探讨这项技术背后的主要理论家。

 

是什么让c-BA与众不同？

总的来说，c-BA是一种热稳定、化学惰性的半导体，其晶体结构由硼和砷原子制成，实验室证明其性能超过了已知的广泛使用的半导体。

立方BA可以解决硅片导热性差的最具挑战性的问题之一。这一挑战是因为目前大多数电子产品通常需要庞大而昂贵的冷却系统。

砷化硼半导体的另一个独特特性是其高的双极迁移率。双极迁移率（也称为高载流子迁移率）是半导体材料中的电子和空穴对电场产生的电荷以相等的迁移率响应的特性。

双极迁移率低的问题是，带负电的电子表现得像遥远的自由漂浮物，而质量更大的带正电的空穴从原子核获得更强的引力。相比之下，理想的半导体将具有带负电和带正电的粒子以较小的电阻行进的特性。

 

打开c-BA的属性和功能

研究团队收集的实验测量结果显示，热导率为1200瓦/米/开尔文（W/m/K），双极迁移率为1600平方厘米/伏特/秒（cm^2./V/s）。

包括这项研究在内，同一期刊上发表的另一项研究也预测，由于热电子效应，立方砷化镓中的电子迁移率可能高达3000厘米^2./V/s。此外，砷化硼具有良好的带隙，与硅相比，这使其适用于不同的应用。

总的来说，c-BA半导体似乎击败了商业赢家，即现成的硅。最终，它可能会优于耐热性更强的碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、砷化镓（GA）和石墨烯。

砷化硼的热导率是硅的十倍。硅和砷化镓具有良好的电子迁移率和较差的空穴迁移率。石墨烯具有很高的载流子迁移率，但其衬底价格昂贵。

除了散热、电传输和带隙特性外，半导体必须在商业上可行，才能被视为下一代电子产品的有力候选者。它们需要以合理的价格大规模生产，才能在最佳半导体中占据一席之地。速度快、价格便宜。目前，在纯化c-BA晶体以提高其实用性方面还有很多工作要做。达到这一点可能需要几十年的时间。

 

麻省理工学院和其他人的实验中使用的（A）c-BA晶体的例子，以及（B）它们的热导率与热导率的关系。图片由Shin等人提供（补充材料PDF）

 

到目前为止，研究团队已经在实验室条件下成功地支持了小批量砷化硼的理论主张。实验室制造的半导体批次具有不稳定、分散的“空穴”和电子位置，这使得该批次材料不太可能成为高精度测量迁移率的候选材料。

为了使研究人员生产出具有高载流子迁移率和热导率的高质量晶体，晶体结构需要较低的电离和中性杂质浓度。未来对砷化硼的研究可能会为其优越性能的可行性带来更多证据。

 

主要理论家与c-BA背后的问题

2018年，麻省理工学院机械工程教授、纳米技术专家陈刚利用量子力学密度泛函计算对砷化硼的性质进行了理论预测。

有趣的是，出生于中国、在美国大学有着长期学术生涯的陈教授的名字与间谍活动有关；然而，在没有证据的情况下，这些指控后来被删除了。

 

陈刚教授在他的办公桌旁。图片由麻省理工学院机械学院提供

 

为了保护科学发现的知识产权，美国对将关键技术交给外国研究人员和制造商越来越谨慎。

出于国家安全利益限制获取新技术并不是什么新鲜事。美国商务部工业与安全局（BIS）的最新公告包括限制出口宽带隙半导体（WBG）材料，包括氧化镓和钻石。立方砷化硼也可以归入这一类。此外，这还包括适用于尖端武器的某些技术。

电子计算机辅助设计（ECAD）技术和压力增益燃烧（PGC）技术是最新禁令的一部分。ECAD用于设计电路和晶体管，用于缩放具有高数据处理速度和功率效率的3nm半导体。PGC技术具有巨大的地面和航空航天潜力。

这项出口禁令是针对中国的一系列措施之一，目的是抵消中国作为技术超级大国获得世界领导地位的决心。

中国在WBG方面似乎仍然远远落后，已经达到了7纳米深紫外光刻芯片。然而，观察先进半导体的进展是至关重要的。目前半导体的许多问题暗示着，就基本的国家安全而言，有了新的限制和锁定。