中國粉體網(wǎng)訊 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(jī)構(gòu)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)通信,、光通信、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域,。但是GaAs,、InP材料資源稀缺，價(jià)格昂貴,，并且還有毒性,，污染環(huán)境，InP甚至被認(rèn)為是可疑致癌物質(zhì),，這些缺點(diǎn)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(duì)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(qiáng),、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn),，可以滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)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(dòng)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(diǎn),。
“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(shí),。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(shí)驗(yàn)表明,，立方砷化硼的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是硅的10倍,。這對(duì)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?yàn)樗哂须娮雍涂昭ǖ母哌w移率。研究人員指出,，這一點(diǎn)很重要,，因?yàn)樵诎雽?dǎo)體中，正電荷和負(fù)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(dòng)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(dòng)汽車行業(yè)中,，碳化硅正取代硅成為電力電子產(chǎn)品,，因?yàn)樗膶?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(diǎn)(2076℃)遠(yuǎn)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(qiáng),，很難反應(yīng),；（4）生長溫度超過920℃時(shí)BAs會(huì)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)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(qiáng)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(yùn)的氣體，向晶體生長表面輸運(yùn),，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(shí)驗(yàn)室規(guī)模進(jìn)行了制造和測(cè)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(shí)用,、經(jīng)濟(jì)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(shì)用途,，其獨(dú)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(shì)
[2]劉京明等.BAs晶體生長研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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