Это лучший полупроводник, когда-либо найденный?

Кремний является основой электронной промышленности. Однако его характеристики в качестве полупроводника оставляют желать лучшего. Теперь ученые обнаружили, что малоизвестный материал, известный как кубический арсенид бора (c-BA), может работать намного лучше, чем кремний. Фактически, это может быть лучший полупроводник, когда-либо найденный, и потенциально даже лучший из возможных.

Кремний – один из самых распространенных элементов на Земле. В чистом виде кремний является ключом к большей части современных технологий, от микрочипов до солнечных батарей. Однако его свойства как полупроводника далеки от идеальных.

«Мы впервые продемонстрировали новый материал с высокой подвижностью носителей заряда и одновременно высокой теплопроводностью», — Чжифэн Рен, Хьюстонский университет.

Во-первых, кремний не очень хорошо проводит тепло. Таким образом, в компьютерах часто встречаются перегрев и дорогостоящие системы охлаждения. Более того, хотя кремний позволяет электронам легко проходить сквозь свою структуру, он гораздо менее склонен к отсутствию положительно заряженных электронов, известному как дырки. Эти недостатки снижают общую эффективность кремния как полупроводника. (Справедливости ради надо сказать, что большинство полупроводников обладают высокой подвижностью только электронов или дырок.)

В 2018 году эксперименты показали, что c-BA — кристалл, выращенный из бора и мышьяка, двух относительно распространенных минеральных элементов, — проводит тепло почти в 10 раз лучше, чем кремний. Это самая известная теплопроводность среди всех полупроводников и третья по величине известная теплопроводность среди всех материалов после алмаза и изотопно-обогащенного кубического нитрида бора.

Кроме того, теоретические предсказания предполагали, что c-BA также будут обладать очень высокой подвижностью как электронов, так и дырок. Теперь в двух исследованиях, опубликованных в журнале Science от 22 июля, эксперименты подтверждают высокую подвижность электронов и дырок кубического арсенида бора.

«Мы впервые продемонстрировали новый материал с высокой подвижностью носителей и одновременно высокой теплопроводностью», — говорит Чжифэн Рен, физик и материаловед из Хьюстонского университета и соавтор обоих исследований. «Результаты указывают на новое направление развития полупроводников, которое может произвести революцию в полупроводниковой промышленности в ближайшем будущем».

Анализ подвижности электронов и дырок в c-BA был сложной задачей, поскольку кристаллы, которыми располагали исследователи, были небольшими. Кроме того, кристаллы были пронизаны примесями, рассеивавшими электроны и дырки. Исследуя кристаллы лазерными импульсами, группа ученых (из Университета Хьюстона, а также Массачусетского технологического института, Техасского университета в Остине и Бостонского колледжа) обнаружила, что электроны и электронные дырки обладают наибольшей подвижностью в тех местах решетки, где наименьшее количество примесей.

Подвижность электронов и дырок измеряется в квадратных сантиметрах на вольт-секунду (см2/В•с). Кремний имеет подвижность электронов 1400 см2/В•с и подвижность дырок 450 см2/В•с при комнатной температуре. Напротив, согласно новым данным, c-BA имеет подвижность 1600 см2/В•с как для электронов, так и для дырок, движущихся вместе при комнатной температуре.

Более того, одно из двух новых исследований, опубликованных в журнале Science, показало, что подвижность электронов в c-BA может достигать 3000 см2/В•с. Это достижение может быть связано с «горячими электронами», которые сохраняют энергию, генерируемую лазерными импульсами, используемыми для возбуждения носителей заряда, дольше, чем в большинстве других материалов.

До сих пор ученые производили КБК только небольшими, неоднородными партиями в лабораторных масштабах. Тем не менее, Рен считает весьма вероятным, что его можно сделать практичным и экономичным способом, поскольку бор, мышьяк и технология изготовления кристаллов недороги. Он говорит, что для поддержания контроля качества кристаллы можно масштабировать до гораздо больших размеров только «когда процесс роста полностью понятен».

Кроме того, говорит Рен, «моя группа всегда считала, что еще более высокая теплопроводность и более высокая подвижность должны быть достигнуты при дальнейшем улучшении качества кристаллов, поэтому ближайшая цель — улучшить их рост для получения кристаллов более высокого качества».