Har forskere fundet den bedste halvleder af dem alle?

Silicium er et af de mest udbredte grundstoffer på Jorden, og i sin rene form er materialet blevet grundlaget for meget af moderne teknologi, lige fra solceller til computerchips. Men siliciums egenskaber som halvleder er langt fra ideelle.

For en ting, selvom silicium let lader elektroner suse gennem sin struktur, er det meget mindre imødekommende for "huller" - elektronernes positivt ladede modstykker - og at udnytte begge dele er vigtigt for nogle slags chips. Desuden er silicium ikke særlig godt til at lede varme, og derfor er overophedningsproblemer og dyre kølesystemer almindelige i computere.

Nu har et team af forskere ved MIT, University of Houston og andre institutioner udført eksperimenter, der viser, at et materiale kendt som kubisk borarsenid overvinder begge disse begrænsninger. Det giver høj mobilitet til både elektroner og huller, og har fremragende varmeledningsevne. Det er, siger forskerne, det bedste halvledermateriale, der nogensinde er fundet, og måske det bedst mulige.

Hidtil er kubisk borarsenid kun blevet fremstillet og testet i små batches i laboratorieskala, der ikke er ensartede. Forskerne måtte bruge specielle metoder, der oprindeligt var udviklet af den tidligere MIT postdoc Bai Song til at teste små regioner i materialet. Mere arbejde vil være nødvendigt for at afgøre, om kubisk borarsenid kan fremstilles i en praktisk, økonomisk form, meget mindre erstatte det allestedsnærværende silicium. Men selv i den nærmeste fremtid kan materialet finde nogle anvendelser, hvor dets unikke egenskaber ville gøre en væsentlig forskel, siger forskerne.

Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Science , i et papir af MIT postdoc Jungwoo Shin og MIT professor i maskinteknik Gang Chen; Zhifeng Ren ved University of Houston; og 14 andre ved MIT, University of Houston, University of Texas i Austin og Boston College.

Tidligere forskning, herunder arbejde af David Broido, som er medforfatter til det nye papir, havde teoretisk forudsagt, at materialet ville have høj termisk ledningsevne; efterfølgende arbejde beviste denne forudsigelse eksperimentelt. Dette seneste arbejde fuldender analysen ved at bekræfte eksperimentelt en forudsigelse lavet af Chens gruppe tilbage i 2018:at kubisk borarsenid også ville have meget høj mobilitet for både elektroner og huller, "hvilket gør dette materiale virkelig unikt," siger Chen.

De tidligere eksperimenter viste, at den termiske ledningsevne af kubisk borarsenid er næsten 10 gange større end for silicium. "Så det er meget attraktivt bare for varmeafledning," siger Chen. De viste også, at materialet har et meget godt båndgab, en egenskab der giver det et stort potentiale som halvledermateriale.

Nu fylder det nye værk billedet ud og viser, at borarsenid med sin høje mobilitet for både elektroner og huller har alle de vigtigste kvaliteter, der er nødvendige for en ideel halvleder. "Det er vigtigt, fordi vi selvfølgelig i halvledere har både positive og negative ladninger tilsvarende. Så hvis du bygger en enhed, vil du gerne have et materiale, hvor både elektroner og huller rejser med mindre modstand," siger Chen.

Silicium har god elektronmobilitet, men dårlig hulmobilitet, og andre materialer såsom galliumarsenid, der er meget brugt til lasere, har ligeledes god mobilitet for elektroner, men ikke for huller.

"Varme er nu en stor flaskehals for mange elektronikprodukter," siger Shin, avisens hovedforfatter. "Siliciumcarbid erstatter silicium til kraftelektronik i store el-industrier, herunder Tesla, da det har tre gange højere termisk ledningsevne end silicium på trods af dets lavere elektriske mobiliteter. Forestil dig, hvad borarsenider kan opnå, med 10 gange højere termisk ledningsevne og meget højere mobilitet end silicium. Det kan være en gamechanger."

Shin tilføjer:"Den kritiske milepæl, der gør denne opdagelse mulig, er fremskridt inden for ultrahurtige lasergittersystemer på MIT," oprindeligt udviklet af Song. Uden den teknik, siger han, ville det ikke have været muligt at påvise materialets høje mobilitet for elektroner og huller.

The electronic properties of cubic boron arsenide were initially predicted based on quantum mechanical density function calculations made by Chen's group, he says, and those predictions have now been validated through experiments conducted at MIT, using optical detection methods on samples made by Ren and members of the team at the University of Houston.

Not only is the material's thermal conductivity the best of any semiconductor, the researchers say, it has the third-best thermal conductivity of any material—next to diamond and isotopically enriched cubic boron nitride. "And now, we predicted the electron and hole quantum mechanical behavior, also from first principles, and that is also proven to be true," Chen says.

"This is impressive, because I actually don't know of any other material, other than graphene, that has all these properties," he says. "And this is a bulk material that has these properties."

The challenge now, he says, is to figure out practical ways of making this material in usable quantities. The current methods of making it produce very non-uniform material, so the team had to find ways to test just small local patches of the material that were uniform enough to provide reliable data. While they have demonstrated the great potential of this material, "whether or where it's going to actually be used, we do not know," Chen says.

"Silicon is the workhorse of the entire industry," says Chen. "So, okay, we've got a material that's better, but is it actually going to offset the industry? We don't know." While the material appears to be almost an ideal semiconductor, "whether it can actually get into a device and replace some of the current market, I think that still has yet to be proven."

And while the thermal and electrical properties have been shown to be excellent, there are many other properties of a material that have yet to be tested, such as its long-term stability, Chen says. "To make devices, there are many other factors that we don't know yet."

He adds, "This potentially could be really important, and people haven't really even paid attention to this material." Now that boron arsenide's desirable properties have become more clear, suggesting the material is "in many ways the best semiconductor," he says, "maybe there will be more attention paid to this material."

For commercial uses, Ren says, "One grand challenge would be how to produce and purify cubic boron arsenide as effectively as silicon. … Silicon took decades to win the crown, having purity of over 99.99999999 percent, or '10 nines' for mass production today."

For it to become practical on the market, Chen says, "it really requires more people to develop different ways to make better materials and characterize them." Whether the necessary funding for such development will be available remains to be seen, he says.