中國粉體網訊 據最新一期《科學》雜志，來自美國麻省理工學院、休斯頓大學和其他機構的一個研究團隊進行的實驗表明，一種名為立方砷化硼的材料克服了硅作為半導體的兩個限制：為電子和空穴提供很高的遷移率，并具有良好的導熱性能。研究人員說，它可能是迄今為止發現的最好的半導體材料。
現有三代半導體材料一覽
在現有的全部三代半導體材料中，第一代半導體材料以硅（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，現代科技便是建立在以硅為代表的這類半導體材料之上的成果，目前90%以上的半導體產品是以硅為襯底制成的。然而，硅在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用卻受阻，且硅在高頻下的工作性能較差，不適用于高壓應用場景。
第二代半導體材料，主要是指化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表，其主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料，廣泛應用于衛星通信、移動通信、光通信、GPS導航等領域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，并且還有毒性，污染環境，InP甚至被認為是可疑致癌物質，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有一定的局限性。
第三代半導體指的是SiC、GaN、ZnO、金剛石（C）、AlN等具有寬禁帶（Eg＞2.3eV）特性的新興半導體材料。以第三代寬禁帶功率半導體的典型代表SiC和GaN為例，其材料特性與Si材料的特性對比如下圖所示：
第三代寬禁帶功率半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求，是當前半導體材料領域最有前景的材料，在國防、航空航天、能源、通信、電動化交通、工業等領域有著重要應用前景。整體來說，SiC是目前發展最成熟的寬禁帶功率半導體材料，GaN緊隨其后，金剛石、AlN和Ga2O3等也成為國際前沿研究熱點。
“最佳半導體材料”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構缺陷，將金剛石用于電子器件散熱并不現實。而石墨烯材料由于其導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用。其他散熱材料有GaN(熱導率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，但其熱導率與金剛石等材料的超高熱導率相比存在巨大差距。
早期實驗表明，立方砷化硼的導熱系數幾乎是硅的10倍。這對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體材料具有巨大潛力。
新研究表明，砷化硼具有理想半導體所需的所有主要品質，因為它具有電子和空穴的高遷移率。研究人員指出，這一點很重要，因為在半導體中，正電荷和負電荷是相等的。因此，如果要制造一種設備，就希望有一種電子和空穴的移動阻力更小的材料。熱量是目前許多電子產品的主要瓶頸，在包括特斯拉在內的主要電動汽車行業中，碳化硅正取代硅成為電力電子產品，因為它的導熱系數是硅的3倍，盡管它的電子遷移率較低。砷化硼的導熱系數是硅的10倍，遷移率也比硅高得多，這可能改變游戲規則。
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(2076℃)遠高于砷的升華溫度(614℃)；（2）砷及相關反應物具有毒性；（3）硼的化學穩定性很強，很難反應；（4）生長溫度超過920℃時BAs會分解為更加穩定的亞晶相(B12As2)。因此很難像GaAs等其他Ⅲ-Ⅴ族半導體材料那樣采用熔體法進行晶體生長。CVT可在密閉環境下通過多溫區精確控溫實現化學反應控制，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，借助于外加的輔助氣體進行晶體生長的方法，生長BAs的原理如上圖所示，在真空密封的石英管內，高溫端放置一定配比的高純As和B作為源，低溫端為結晶區，通過控制源區與生長區的溫度分布實現氣相傳輸，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，增強傳輸效率。通過原料與傳輸劑之間的化學反應，形成便于輸運的氣體，向晶體生長表面輸運，在晶體生長表面再通過相應的逆反應沉積結晶。
總結
到目前為止，立方砷化硼只在實驗室規模進行了制造和測試，這些產品并不均勻，還需要更多的工作來確定能否以實用、經濟的形式制造立方砷化硼。但研究人員表示，在不久的將來，人們可能發現這種材料的一些優勢用途，其獨特的性質將帶來明顯改觀。
參考來源：
[1]張佳欣.迄今發現的最佳半導體材料，立方砷化硼兼具導電和導熱優勢
[2]劉京明等.BAs晶體生長研究進展
（中國粉體網編輯整理/山川）
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