Открытие полупроводника с характеристиками, намного превосходящими кремний

Если бы не было полупроводников, не было бы и цифровых технологий (компьютеров, смартфонов, игровых приставок и т.д.). Кремний является наиболее коммерчески используемым полупроводниковым материалом благодаря его природному изобилию и низкой стоимости обработки. Однако его полупроводниковые свойства далеки от идеальных, и в условиях дефицита, вызванного пандемией COVID-19, многие ищут альтернативы. Недавно группа ученых из Массачусетского технологического института показала, что материал, известный как кубический арсенид бора, заполняет пробелы в кремнии и, вероятно, является лучшим полупроводником из известных на сегодняшний день. Следующий шаг — найти практичные и экономичные способы его изготовления.

Полупроводник — это материал, который в чистом виде не проводит электричество, но становится таковым после специальной обработки, называемой легированием. Эта полупроводниковая проводимость достигается путем введения примесей, путем N-допирования (для отрицательных, когда электроны добавляются) или P-допирования (для положительных, когда электроны удаляются): это увеличивает проводимость полупроводников.

Такая обработка применяется в случае кремния, который является основой фотоэлектрических элементов, составляющих солнечные батареи. Электропроводность полупроводника занимает промежуточное положение между электропроводностью металлов (хороших проводников) и изоляторов. В компьютерах несколько полупроводников располагаются в цепочку, чередуя N-допирование и P-допирование, что позволяет электронам переходить от одного к другому. Электроны N-допированного полупроводника заполняют «дыры», оставленные P-допированием другого полупроводника.

Однако хотя кремний широко используется, его свойства не идеальны. С одной стороны, хотя он легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к дыркам (P-допирование), что затрудняет прохождение электронов. Эти два свойства важны для определенных типов микросхем. Кроме того, кремний не очень эффективно проводит тепло, поэтому в компьютерах часто возникают проблемы с перегревом и дорогостоящими системами охлаждения.

Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института, Университета Хьюстона и других учреждений продемонстрировала, что кубический арсенид бора преодолевает оба этих ограничения. Он обладает высокой подвижностью для электронов и дырок и отличной теплопроводностью. Работа опубликована в двух одновременных статьях в журнале Science.

Настоящее исследование опирается на результаты предыдущих исследований, включая работу Дэвида Бройдо, соавтора новой статьи. Последний теоретически предсказал, что кубический арсенид бора будет обладать высокой теплопроводностью, почти в 10 раз превышающей теплопроводность кремния. Кроме того, команда Чена в 2018 году выдвинула гипотезу, что он обладает очень высокой подвижностью для электронов и дырок, «что делает этот материал действительно уникальным«, — поясняет Чен в своем заявлении. Он добавляет: «Это важно, потому что, конечно, в полупроводниках мы имеем эквивалентные положительные и отрицательные заряды. Поэтому, если вы создаете устройство, вы хотите иметь материал, в котором электроны и дырки перемещаются с меньшим сопротивлением«.

Как упоминалось ранее, одним из препятствий для кремния является его перегрев и необходимость инвестировать в дорогостоящие системы охлаждения. Например, в электронике электромобилей кремний заменяется карбидом кремния, который обладает в три раза большей теплопроводностью. Проще говоря, ему нужно нагреваться в три раза меньше, чтобы достичь той же эффективности, что и основному кремнию. Однако проведя эксперименты, авторы исследования подтвердили в 10 раз более высокую теплопроводность кубического арсенида бора.

Теперь задача состоит в том, чтобы найти практические способы производства этого материала в пригодных для использования количествах. Современные методы производства дают неоднородный материал, поэтому команде пришлось искать способы тестирования только небольших участков материала, достаточно однородных для получения надежных данных. Хотя они продемонстрировали большой потенциал этого материала, «мы не знаем, будет ли он действительно использоваться и где«, — говорит Чен.

И хотя тепловые и электрические свойства были признаны превосходными, существует множество других свойств этого материала, которые еще не были проверены, например, его долгосрочная стабильность, объясняют авторы. Чен отмечает: «Теперь, когда желательные свойства арсенида бора стали более очевидными, что позволяет предположить, что этот материал является «во многих отношениях лучшим полупроводником», возможно, этому материалу будет уделяться больше внимания«.

Тем не менее исследователи делают вывод, что в ближайшем будущем материал может найти применение, где его уникальные свойства будут иметь существенное значение, если промышленность обеспечит необходимое финансирование для таких разработок.