華人科學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今最佳半導(dǎo)體材料！其中一人曾被美國(guó)逮捕入獄一年！
2022-07-25 09:11:09 EETOP現(xiàn)階段，人類(lèi)文明現(xiàn)代科技便是建立在以硅為代表的這類(lèi)半導(dǎo)體材料之上的成果，從太陽(yáng)能電池到芯片都離不開(kāi)它，但因?qū)岷推渌蚬枰沧⒍藷o(wú)法成為最理想的半導(dǎo)體材料。
立方砷化硼是一種媲美金剛石的超高熱導(dǎo)率半導(dǎo)體，自2018 年以來(lái)受到廣泛關(guān)注，更被稱(chēng)為可能是最好的半導(dǎo)體材料，但一直不確定是否能商用化。直到最近，麻省理工學(xué)院研究人員首次取得重要科學(xué)進(jìn)展，于實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)立方砷化硼晶體為電子、電洞提供高載流子遷移率，擴(kuò)大該材料于商業(yè)領(lǐng)域的潛在用途，比如提高CPU 速度。
7 月 22 日，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)和其它機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種名為“立方砷化硼”的材料突破了這兩個(gè)限制，它既能為電子和空穴提供高遷移率，又有優(yōu)良的電導(dǎo)率，而且還具有極高的導(dǎo)熱特性。
科學(xué)家表示，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最好的半導(dǎo)體材料，或許放眼未來(lái)也會(huì)是最好的那個(gè)。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表在近期的《科學(xué)》雜志上。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4290
此次的科研成果涉及到麻省理工學(xué)院、休斯頓大學(xué)、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和波士頓學(xué)院的其他 14 所大學(xué)。包括這篇新論文的合著者大衛(wèi)布羅伊多 （David Broido） 在內(nèi)的早期研究，從理論上預(yù)測(cè)這種材料將具有較高的熱導(dǎo)率，并在隨后的工作中證實(shí)了這一預(yù)測(cè)。
這項(xiàng)工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了陳剛團(tuán)隊(duì)在 2018 年提出的一個(gè)預(yù)測(cè)并完成分析：立方砷化硼對(duì)電子和空穴也有很高的遷移率，“這使這種材料真正變得獨(dú)特” 他表示。
他們還表明，這種材料有一個(gè)非常好的帶隙（能系，泛指半導(dǎo)體或絕緣體的價(jià)帶頂端至導(dǎo)帶底端的能量差距），這一特性賦予了它作為半導(dǎo)體材料的巨大潛力。
我們知道硅、砷化鎵等材料具有良好的電子遷移率，但電洞遷移率較差，此外硅的導(dǎo)熱率表現(xiàn)不佳，而「發(fā)熱」是許多電子產(chǎn)品的主要瓶頸，也因此碳化硅正在逐漸取代硅（包括特斯拉在內(nèi)的電動(dòng)車(chē)），盡管碳化硅電子移動(dòng)率（electron mobility）較低，但導(dǎo)熱率是硅的3 倍。
那么想像一下，導(dǎo)熱率與電子移動(dòng)率都比硅還高10 倍的砷化硼材料若有朝一日成功實(shí)際應(yīng)用，將改變半導(dǎo)體游戲規(guī)則。
研究人員表示，這種稱(chēng)為「立方砷化硼」的材料可以克服低電洞移動(dòng)率與低導(dǎo)熱率這兩個(gè)重大限制。立方砷化硼除了具有高電子移動(dòng)率與電洞移動(dòng)率，還具有出色的導(dǎo)熱性，是迄今為止發(fā)現(xiàn)最好的半導(dǎo)體材料，也可能是最好的一種。
但我們需更多工作才能確定立方砷化硼能否以實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的形式制造，才能進(jìn)一步談及替代無(wú)處不在的硅，直到最近，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)首次透過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證立方砷化硼材料在室溫下的高載流子遷移率。
雖然科學(xué)家證明了立方砷化硼出色的熱性能和電性能，看起來(lái)幾乎是理想的半導(dǎo)體材料，但是否能真正進(jìn)入市場(chǎng)與設(shè)備應(yīng)用還有待商榷，因?yàn)榱⒎缴榛鸩牧系钠渌阅苓€需要測(cè)試，比如長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及最巨大的挑戰(zhàn)：大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)純化立方砷化硼。硅花了幾十年時(shí)間才走到如今制造純度超過(guò)99.99999999% 的技術(shù)，未來(lái)是否可能對(duì)新材料投入高額資金研發(fā)，還有待觀(guān)察。
當(dāng)然，到目前為止，立方砷化硼還只能在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模量產(chǎn)和測(cè)試，而且不均勻。還需要做更多的工作來(lái)確定立方砷化硼是否能以一種實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的形式制造出來(lái)，目前來(lái)看要想取代地球上無(wú)處不在的硅還有很長(zhǎng)一段路要走。但研究人員說(shuō)，即使在不久的將來(lái)，這種材料也可能找到一些用途，使其獨(dú)特的特性產(chǎn)生重大影響。
作者包括多名華裔科學(xué)家，其中一名曾被美國(guó)政府逮捕入獄一年！
可以看到作者欄中包括多位華人，例如麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授陳剛、任志峰（休斯敦大學(xué)）等。
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