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據(jù)最新一期《科學(xué)》雜志，來自美國麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其他機構(gòu)的一個研究團隊進行的實驗表明，一種名為立方砷化硼的材料克服了硅作為半導(dǎo)體的兩個限制：為電子和空穴提供很高的遷移率，并具有良好的導(dǎo)熱性能。研究人員說，它可能是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料。
現(xiàn)有三代半導(dǎo)體材料一覽 在現(xiàn)有的全部三代半導(dǎo)體材料中，第一代半導(dǎo)體材料以硅(Si)、鍺(Ge)為代表，硅基材料是目前主流邏輯芯片和功率器件的基礎(chǔ)，現(xiàn)代科技便是建立在以硅為代表的這類半導(dǎo)體材料之上的成果，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是以硅為襯底制成的。然而，硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場景。
第二代半導(dǎo)體材料，主要是指化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表，其主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動通信、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，污染環(huán)境，InP甚至被認為是可疑致癌物質(zhì)，這些缺點使得第二代半導(dǎo)體材料的應(yīng)用具有一定的局限性。
第三代半導(dǎo)體指的是SiC、GaN、ZnO、金剛石(C)、AlN等具有寬禁帶(Eg>2.3eV)特性的新興半導(dǎo)體材料。以第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體的典型代表SiC和GaN為例，其材料特性與Si材料的特性對比如下圖所示： 第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是當(dāng)前半導(dǎo)體材料領(lǐng)域最有前景的材料，在國防、航空航天、能源、通信、電動化交通、工業(yè)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。整體來說，SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶功率半導(dǎo)體材料，GaN緊隨其后，金剛石、AlN和Ga2O3等也成為國際前沿研究熱點。
“最佳半導(dǎo)體材料”有何秘密? 在已知材料中，金剛石和石墨烯材料的熱導(dǎo)率都在為2000W?m-1?K-1以上，比硅(150W?m-1?K-1)高得多，似乎是理想的電子器件散熱材料。然而，雖然金剛石有過被用于散熱的案例，但由于天然金剛石成本過高、人造金剛石薄膜存在結(jié)構(gòu)缺陷，將金剛石用于電子器件散熱并不現(xiàn)實。而石墨烯材料由于其導(dǎo)熱各向異性和制備難度也限制了其在器件散熱方面的廣泛應(yīng)用。其他散熱材料有GaN(熱導(dǎo)率230W?m-1?K-1)、Al(240W?m-1?K-1)、AlN(285W?m-1?K-1)、Cu(400W?m-1?K-1)、SiC(490W?m-1?K-1)等，但其熱導(dǎo)率與金剛石等材料的超高熱導(dǎo)率相比存在巨大差距。
早期實驗表明，立方砷化硼的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是硅的10倍。這對于散熱來說非常有吸引力。研究還證明，這種材料具有非常好的帶隙，這一特性使其作為半導(dǎo)體材料具有巨大潛力。
新研究表明，砷化硼具有理想半導(dǎo)體所需的所有主要品質(zhì)，因為它具有電子和空穴的高遷移率。研究人員指出，這一點很重要，因為在半導(dǎo)體中，正電荷和負電荷是相等的。因此，如果要制造一種設(shè)備，就希望有一種電子和空穴的移動阻力更小的材料。熱量是目前許多電子產(chǎn)品的主要瓶頸，在包括特斯拉在內(nèi)的主要電動汽車行業(yè)中，碳化硅正取代硅成為電力電子產(chǎn)品，因為它的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的3倍，盡管它的電子遷移率較低。砷化硼的導(dǎo)熱系數(shù)是硅的10倍，遷移率也比硅高得多，這可能改變游戲規(guī)則。
晶體生長方法 BAs晶體難以制備主要受到以下因素影響：(1)硼的熔點(2076℃)遠高于砷的升華溫度(614℃);(2)砷及相關(guān)反應(yīng)物具有毒性;(3)硼的化學(xué)穩(wěn)定性很強，很難反應(yīng);(4)生長溫度超過920℃時BAs會分解為更加穩(wěn)定的亞晶相(B12As2)。因此很難像GaAs等其他Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料那樣采用熔體法進行晶體生長。CVT可在密閉環(huán)境下通過多溫區(qū)精確控溫實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)控制，有效解決了上述問題，是目前開展BAs單晶制備研究的主要方法。
CVT法生長BAs晶體原理圖 CVT法是利用固相與氣相的可逆反應(yīng)，借助于外加的輔助氣體進行晶體生長的方法，生長BAs的原理如上圖所示，在真空密封的石英管內(nèi)，高溫端放置一定配比的高純As和B作為源，低溫端為結(jié)晶區(qū)，通過控制源區(qū)與生長區(qū)的溫度分布實現(xiàn)氣相傳輸，生長BAs單晶。在生長過程中采用I2鹵族元素或化合物為傳輸劑，增強傳輸效率。通過原料與傳輸劑之間的化學(xué)反應(yīng)，形成便于輸運的氣體，向晶體生長表面輸運，在晶體生長表面再通過相應(yīng)的逆反應(yīng)沉積結(jié)晶。
總結(jié)
到目前為止，立方砷化硼只在實驗室規(guī)模進行了制造和測試，這些產(chǎn)品并不均勻，還需要更多的工作來確定能否以實用、經(jīng)濟的形式制造立方砷化硼。但研究人員表示，在不久的將來，人們可能發(fā)現(xiàn)這種材料的一些優(yōu)勢用途，其獨特的性質(zhì)將帶來明顯改觀。
參考來源：
[1]張佳欣.迄今發(fā)現(xiàn)的最佳半導(dǎo)體材料，立方砷化硼兼具導(dǎo)電和導(dǎo)熱優(yōu)勢
[2]劉京明等.BAs晶體生長研究進展
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