《MIT陈刚院士团队Science重磅:比硅还强!迄今为止最好的半导体材料》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2022-07-27
  • 微电子和光电器件的性能得益于所使用的半导体材料同时具有高电子和空穴迁移率和高导热系数。随着技术的进步,微电子和光电器件的性能不断提升。现阶段最常使用是导体如硅(电子迁移率:1400cm2V−1s−1,空穴迁移率:450cm2V−1s−1,导热系数:140Wm−1K−1)和砷化镓(电子迁移率:8500cm2V−1s−1,空穴迁移率:400cm2V−1s−1,导热系数:45Wm−1K−1)已经难以满足芯片和传感器的性能提升需求,因此学界和业界的目光都移向了下一代高载流子迁移率高导热率的半导体材料。石墨烯和金刚石都是候选材料,但是各自都有难以弥补的缺陷,如石墨烯的片层结构使得石墨烯片与片之间的导热率和载流子迁移率都很低,而金刚石则是能带间隙过大导致难以有效掺杂。理论计算表明,立方砷化硼具备下一代半导体材料所需的所有性能,包括高导热率和高双极载流子迁移率,但是在实际测量过程中并没有测得相应的性能。

     

    在近日的Science连续登出两篇利用两种不同方法证实立方砷化硼具备高载流子迁移率性能的文章,分别为国家纳米中心刘新风团队联合休斯顿大学包吉明教授和任志锋教授联合发表题为“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy”的文章(详细报道:立方砷化硼,一天2篇Science!)和MIT陈刚院士和休斯顿大学任志锋教授联合发表题为“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide”的文章。二者所采用的方法不同却都检测到立方砷化硼的高载流子迁移率。这些发现表明立方砷化硼是唯一已知的具有高载流子迁移率和高导热率这种理想特性组合的半导体,是下一代微电子应用的理想材料。先前的报道中,主要介绍了刘新风团队的成果,今天给大家带来了陈刚院士成果的介绍。

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    • 据最新一期《科学》杂志,来自美国麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一个研究团队进行的实验表明,一种名为立方砷化硼的材料克服了硅作为半导体的两个限制:为电子和空穴提供很高的迁移率,并具有良好的导热性能。研究人员说,它可能是迄今为止发现的最好的半导体材料。 研究人员表示,立方砷化硼是迄今为止发现的最好的半导体材料。 图片来源:克里斯汀·丹尼洛夫/麻省理工学院 硅作为半导体材料,其性能仍存在缺陷。尽管硅中的电子很容易通过它的结构,但它的空穴迁移率较差。而其他材料,如广泛用于激光的砷化镓,同样具有良好的电子迁移率,但不具有空穴迁移率。更重要的是,硅不太善于传导热量,因此芯片温度总是过热。 论文主要作者之一、麻省理工学院机械工程教授陈刚领导的团队于2018年预测,立方砷化硼对电子和空穴都有非常高的迁移率,最新研究证实了这一点。 早期实验表明,立方砷化硼的导热系数几乎是硅的10倍。这对于散热来说非常有吸引力。研究还证明,这种材料具有非常好的带隙,这一特性使其作为半导体材料具有巨大潜力。 新研究表明,砷化硼具有理想半导体所需的所有主要品质,因为它具有电子和空穴的高迁移率。研究人员指出,这一点很重要,因为在半导体中,正电荷和负电荷是相等的。因此,如果要制造一种设备,就希望有一种电子和空穴的移动阻力更小的材料。 热量是目前许多电子产品的主要瓶颈,在包括特斯拉在内的主要电动汽车行业中,碳化硅正取代硅成为电力电子产品,因为它的导热系数是硅的3倍,尽管它的电子迁移率较低。砷化硼的导热系数是硅的10倍,迁移率也比硅高得多,这可能改变游戏规则。 到目前为止,立方砷化硼只在实验室规模进行了制造和测试,这些产品并不均匀,还需要更多的工作来确定能否以实用、经济的形式制造立方砷化硼。但研究人员表示,在不久的将来,人们可能发现这种材料的一些优势用途,其独特的性质将带来明显改观。 总编辑圈点: 硅在半导体行业的“武林盟主”地位已维系几十年。随着电子终端产品向精密高端的方向一路狂奔,人们渐渐发现,这位“武林盟主”并非全能冠军,也有一些软肋。于是乎,氮化镓、碳化硅、氧化锌等各种材料跃跃欲试,前来参加新盟主擂台赛。比赛规则很简单:不能仅凭实验室研究数据说话,更要看在产业中的应用效果。对于新晋选手立方砷化硼而言同样如此,要想证明自己,还需在产业应用中拿出真凭实绩。
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    • 编译者:shenxiang
    • 发布时间:2018-10-09
    • 今天绝大多数的计算设备都是由硅制成的,硅是仅次于氧气的地球上最丰富的元素。硅可以以各种形式存在于岩石、粘土、沙土和土壤中。虽然它不是最好的半导体材料存在于地球上,但它是迄今为止最容易获得的。因此,硅是大多数电子设备中使用的主要材料,包括传感器、太阳能电池、以及计算机和智能手机中的集成电路。 现在,麻省理工学院的工程师们已经开发了一种技术,用来制造超薄半导体薄膜,这种薄膜是由许多不同于硅的奇特材料制成的。为了证明他们的技术,研究人员制造了由砷化镓、氮化镓和氟化锂制成的柔性薄膜,这些材料显示出比硅更好的性能,但迄今为止在功能器件中制造成本过高。 研究人员说,这项新技术提供了一种成本效益高的方法来制造由任何半导体元件组合而成的柔性电子器件,其性能可能优于目前的硅基器件。 该研究成果发表在《自然材料》期刊上。