硅是地球上最豐富的元素之一，以其純凈的形式，這種材料已經成為許多現代技術的基礎，從太陽能電池到計算機芯片。但硅作為半導體的特性遠非理想。

首先，盡管硅可以讓電子輕松地穿過其結構，但它對“空穴”的適應能力要差得多鈥攅電子的正電荷對應物鈥攁對于某些類型的芯片來說，利用這兩種技術很重要。此外，硅不善于導熱，這就是為什么過熱問題和昂貴的冷卻系統在計算機中很常見的原因。

現在，麻省理工學院、休斯頓大學和其他機構的一組研究人員進行了實驗，表明一種稱為立方砷化硼的材料克服了這兩個限制。它為電子和空穴提供高遷移率，并具有良好的導熱性。研究人員說，這是迄今為止發現的最好的半導體材料，也可能是最好的。

到目前為止，立方砷化硼只在實驗室小批量生產和測試，不均勻。研究人員不得不使用最初由前麻省理工學院博士后白松開發的特殊方法來測試材料中的小區域。需要做更多的工作來確定立方砷化硼能否以實用、經濟的形式制造，更不用說取代無處不在的硅了。但研究人員說，即使在不久的將來，這種材料也可能在某些用途中發揮重要作用，其獨特的特性將產生重大影響。

這些發現發表在《科學》雜志上，發表在麻省理工學院博士后申正宇和麻省理工學院機械工程教授陳剛的一篇論文中；休斯頓大學任志峰；麻省理工學院、休斯頓大學、德克薩斯大學奧斯汀分校和波士頓學院的其他14人。

早期的研究，包括DavidBroido的工作，他是這篇新論文的合著者，從理論上預測這種材料將具有高導熱性；隨后的工作通過實驗證明了這一預測。這項最新的研究通過實驗證實了陳團隊在2018年做出的一個預測，完成了分析：立方砷化硼對電子和空穴也具有非常高的遷移率，“這使得這種材料非常獨特，”陳說。

早期的實驗表明，立方砷化硼的熱導率幾乎是硅的10倍。“所以，這對于散熱來說非常有吸引力，”陳說。他們還表明，該材料具有很好的帶隙，這一特性使其成為半導體材料具有很大的潛力。

現在，新的工作填補了這一空白，表明砷化硼具有電子和空穴的高遷移率，具備理想半導體所需的所有主要品質。陳說：“這很重要，因為在半導體中，正電荷和負電荷是相等的。因此，如果你制造一個器件，你需要一種電子和空穴都具有較小電阻的材料。”。

硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料，如廣泛用于激光器的砷化鎵，同樣對電子具有良好的遷移率，但對空穴沒有。

“熱現在是許多電子產品的主要瓶頸，”該論文的主要作者申說。“在包括特斯拉（Tesla）在內的主要電動汽車行業中，碳化硅正在取代硅作為電力電子產品，因為盡管碳化硅的電遷移率較低，但其導熱系數比硅高出三倍。想象一下，砷化硼可以實現什么樣的效果，其導熱系數比硅高10倍，遷移率高得多。它可以改變游戲規則。”

Shin補充道，“使這一發現成為可能的關鍵里程碑是麻省理工學院超快激光光柵系統的進步”，最初由宋開發。他說，如果沒有這種技術，就不可能證明這種材料對電子和空穴的高遷移率。

他說，立方砷化硼的電子性質最初是根據陳團隊的量子力學密度函數計算得出的，這些預測現在已經通過麻省理工學院的實驗得到驗證，實驗使用了任和休斯頓大學團隊成員制作的樣品的光學檢測方法。

研究人員說，這種材料的導熱性不僅是所有半導體中最好的，而且在所有材料中導熱性排名第三鈥攏擴展到金剛石和同位素富集的立方氮化硼。陳說：“現在，我們預測了電子和空穴的量子力學行為，也是根據第一原理，這也被證明是正確的。”。

他說：“這令人印象深刻，因為除了石墨烯之外，我不知道還有任何其他材料具有所有這些特性。”。“這是一種具有這些特性的散裝材料。”

他說，現在的挑戰是找出切實可行的方法，使這種材料達到可用數量。目前制造這種材料的方法產生了非常不均勻的材料，因此團隊必須找到方法來測試材料的局部小塊，這些小塊均勻到足以提供可靠的數據。雖然他們已經證明了這種材料的巨大潛力，“但我們不知道它是否會被實際使用，也不知道它會在哪里使用，”陳說。

“硅是整個行業的主力軍，”陳說。“那么，好吧，我們有了一種更好的材料，但它真的會抵消這個行業嗎？我們不知道。”雖然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導體，“但它是否真的能進入一個設備并取代當前市場的一部分，我認為這仍有待證明。”

陳說，雖然熱性能和電性能已經被證明是優異的，但一種材料還有許多其他性能有待測試，例如其長期穩定性。“要制造設備，還有許多其他因素我們還不知道。”

他補充道：“這可能真的很重要，人們甚至都沒有真正注意到這些材料。”現在，砷化硼的理想特性已經變得更加清楚，這表明該材料“在許多方面是最好的半導體，”他說，“也許會對這種材料給予更多的關注。”

對于商業用途，任說，“一個巨大的挑戰將是如何生產和提純立方砷化硼和硅一樣有效。鈥?硅花了幾十年的時間才贏得桂冠，純度超過99.99999%，即今天大規模生產的“10個9”。"

陳說，要使其在市場上變得實用，“確實需要更多的人開發出不同的方法來制造更好的材料并對其進行表征。”他說，是否有必要的資金用于此類開發仍有待觀察。

本故事由麻省理工學院新聞網（web.MIT.edu/newoffice/）轉載，該網站是一個熱門網站，涵蓋麻省理工學院研究、創新和教學方面的新聞。