Группа исследователей под эгидой Массачусетского технологического института (MIT) по итогам тестирования обнаружила, что кубический арсенид бора по своим свойствам имеет наилучший потенциал в качестве полупроводникового материала. Об этом сообщает Science Blog. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Кремний – один из самых распространенных элементов на Земле, и в чистом виде этот материал стал основой многих современных технологий, от солнечных элементов 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 так называемым «дыркам» – положительно заряженным аналогам электронов, использование которых важно для многих типов микросхем. Кроме того, кремний не очень хорошо проводит тепло, поэтому проблемы с перегревом и дорогими системами охлаждения в микроэлектронике весьма распространены.
Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института, Университета Хьюстона и других учреждений (в ряду которых важно отметить Управление военно-морских исследований США) провела эксперименты, показавшие, что материал, известный как кубический арсенид бора, преодолевает оба этих ограничения. Он обеспечивает высокую подвижность как электронов, так и «дырок» и обладает отличной теплопроводностью.
Предыдущие эксперименты показали, что теплопроводность кубического арсенида бора почти в 10 раз выше, чем у кремния. Новая работа исследователей дополнила картину, показав, что при высокой подвижности как электронов, так и «дырок» арсенид бора обладает всеми основными качествами, необходимыми для идеального полупроводника.
«Сейчас излишек тепла является основным узким местом для многих электронных устройств. Карбид кремния заменяет кремний в силовой электронике в основных отраслях электромобилестроения, включая Tesla, поскольку его теплопроводность в три раза выше, чем у кремния, несмотря на его более низкую электронную проницаемость. Представьте, чего могут достичь арсениды бора, обладающие в 10 раз более высокой теплопроводностью и гораздо более высокими свойствами переноса зарядов, чем кремний. Это может изменить правила игры», – отметил Юнгву Шин, один из ведущих авторов исследования MIT.
Электронные свойства кубического арсенида бора первоначально были предсказаны на основе квантово-механических расчетов функции плотности, а теперь подтверждены экспериментами, проведенными в Массачусетском технологическом институте с использованием передовых методов оптического обнаружения. По словам исследователей, этот материал не только обладает лучшей теплопроводностью среди полупроводников, но и занимает третье место по теплопроводности среди всех материалов – после алмаза и кубического нитрида бора, обогащенного изотопами.
«Это впечатляет, потому что я на самом деле не знаю ни одного другого материала, кроме графена, обладающего всеми этими свойствами, но последний – это сыпучий материал, формируемый в виде тончайших хлопьев», – сказал профессор MIT Ганн Чен.
До сих пор кубический арсенид бора производился и тестировался только небольшими лабораторными партиями, которые притом не являлись полностью однородными. Исследователям пришлось использовать специальные методы для тестирования небольших участков материала.
Потребуется серьезная дополнительная работа, чтобы определить, можно ли изготовить кубический арсенид бора в практичной и экономичной форме, а тем более – в больших количествах, чтобы заменить вездесущий кремний. Но уже в ближайшем будущем этот материал может найти применение, в котором его уникальные свойства будут иметь существенное значение.
По словам Жифэн Рен из Хьюстонского университета, создавшего самые чистые на данный момент образцы кубического арсенида бора для использования в проведенном исследовании, «одна из главных задач будет заключаться в том, как производить и очищать кубический арсенид бора настолько же эффективно, как кремний. А кремнию ранее потребовались десятилетия, чтобы, имея сегодня чистоту на уровне более 99,99999999 процентов («10 девяток»), добиться повсеместного преобладания в массовом производстве».