Ученые заявили, что нашли лучший в мире полупроводник
Кремний — один из самых распространенных элементов на Земле, и в чистом виде этот материал стал основой многих современных технологий, от солнечных элементов до компьютерных чипов. Но свойства кремния как полупроводника далеки от идеальных.
Во-первых, хотя кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к «дырочной проводимости» (положительно заряженным двойникам электронов), а использование обоих важно для некоторых типов микросхем. Также, кремний не очень хорошо проводит тепло, поэтому проблемы с перегревом и дорогими системами охлаждения все еще актуальны.
Что такое дырочная проводимость? При отрыве электронов от атомов в последних образуются свободные места, которые могут быть заняты другими электронами. Такие свободные места получили название дырок. Появление дырки связано с потерей электрона атомом, а потому в области образования ее возникает избыточный положительный заряд. Таким образом, наличие дырки равноценно положительному заряду.
Недавно группа исследователей из Массачусетского технологического института (США) провела эксперименты, показавшие, что материал под названием «кубический арсенид бора», преодолевает оба этих ограничения. Он обеспечивает высокую подвижность как электронов, так и «дырок», и обладает отличной теплопроводностью. Исследователи говорят, что это лучший из когда-либо найденных полупроводниковых материалов и, возможно, лучший из возможных.
Научная публикация вышла в журнале Science, о результатах сообщили в Институте.
Эксперименты показали, что теплопроводность кубического арсенида бора почти в 10 раз выше, чем у кремния. При высокой подвижности как электронов, так и «дырок» арсенид бора обладает всеми основными качествами, необходимыми для идеального полупроводника.
«Это важно, потому что, конечно же, в полупроводниках мы имеем как положительные, так и отрицательные заряды в равной степени. Поэтому, если вы строите устройство, вам нужен материал, в котором и электроны, и «дырки» движутся с меньшим сопротивлением», — говорит Ган Чен, один из авторов исследования.
«Сейчас тепло является основным узким местом для многих электронных устройств. Карбид кремния заменяет кремний в силовой электронике в основных отраслях электромобилестроения, включая Tesla, поскольку его теплопроводность в три раза выше, чем у кремния, несмотря на более низкую подвижность электронов в нем. Представьте, чего могут достичь арсениды бора с в 10 раз более высокой теплопроводностью и гораздо более высокой подвижностью, чем у кремния. Это может изменить правила игры», — говорит Юнгву Шин, ведущий автор статьи.
Этот материал не только обладает лучшей теплопроводностью среди полупроводников, но и занимает третье место среди всех материалов по теплопроводности — после алмаза и кубического нитрида бора, обогащенного изотопами.
«Это впечатляет, потому что я на самом деле не знаю ни одного другого материала, кроме графена, обладающего всеми этими свойствами», — говорит Ган Чен.
Правда, есть и проблемы. Существующие методы получения материала дают очень неоднородную структуру, поэтому команде пришлось найти способы протестировать лишь небольшие локальные участки, которые были достаточно однородны для получения надежных данных. И хотя термические и электрические свойства оказались превосходными, есть много других свойств материала, которые еще предстоит проверить, например, долговременную стабильность.
