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[问答] 中美团队证明立方砷化硼具有高载流子迁移率，超越硅的导热 ...

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倒数正好七个字 发表于 2022-8-24 16:53:54 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
中美团队证明立方砷化硼具有高载流子迁移率，超越硅的导热 ... 第1张图片

是否有新材料可解决芯片散热问题，成为替代硅的作为半导体材料呢？

硅作为目前应用最广泛的半导体材料，经过科研和业界几十年的不断研发与努力，达到芯片制造所需要的 99.99999999% 纯度。与此同时，随着芯片小型化发展，硅的短板与市场需求的矛盾也日益突出，例如传导热量性能不佳、空穴迁移率不够高等。

科学家一直在探索半导体新材料，例如砷化镓、氮化镓、碳化硅、金刚石、氧化锌、氮化铝等。前不久，国家纳米科学中心与休斯顿大学团队验证了一种比硅导电导热性能更佳、甚至有望替代硅的材料——立方砷化硼（c-BAs）。他们首次实验确认了立方砷化硼的高载流子迁移率 1550cm2 V−1 s−1，其结果和理论预测值一致。

“从业界角度来看，芯片的散热问题严重阻碍了其运算速度，立方砷化硼首次从实验上被证实同时具有高的载流子迁移率和热导率，所以有望利用该材料缓解当前芯片散热的瓶颈问题。”国家纳米科学中心研究员刘新风表示。

近日， 相关论文以《瞬态反射显微成像测定立方砷化硼的高双极性迁移率》（High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy）为题发表在 Science 上[1]。

休斯顿大学和电子科技大学联合博士后岳帅（现国家纳米科学中心副研究员）、休斯顿大学田非博士（现中山大学教授）为该论文共同第一作者，国家纳米科学中心刘新风研究员、休斯顿大学电气与计算机工程系包吉明教授和物理系任志锋教授为该论文共同通讯作者。

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▲图丨相关论文（来源：Science）

此外，麻省理工学院陈刚团队与休斯顿大学任志锋团队的另一篇关于立方砷化硼的论文《立方砷化硼中的高双极性迁移率》（High ambipolar mobility in cubic boron arsenide）也在 Science 同日发布[2]。

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合成砷化硼无需高温高压，并兼具高载流子迁移率和高热导率

一直以来，科学家寻找各向同性热导率高材料的道路上充满了挑战，而寻找同时兼具高热导率、高载流子迁移率的材料则难上加难。举例来说，金刚石在室温下的热导率在 2200 W m−1 K−1 以上，其次常见的是铜、银、金等，在室温下各向同性的热导率在400 W m−1 K−1 左右。

最近发现氮化硼（10BN 或 11BN）在室温下的热导率约为 1600 W m−1 K−1，BN 的热导率低于 1000 W m−1 K−1，但其高温高压合成的难度与金刚石一样，无法大规模制造。

任志锋表示，“在该研究中，立方砷化硼室温下约 1300 W m−1 K−1 的高热导率的理论发现和实验证实令人震惊和激动。因为该材料的合成不需要高温高压，这使得其在大尺寸制造可满足工业需求。更令人兴奋的是，这种材料还具有非常高的载流子迁移率。”

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▲图丨部分常见半导体材料性能对比（来源：任志锋）

此外，砷化硼的带隙远大于硅和砷化镓（GaAs），使其更适用于大功率电子产品。包括热膨胀系数在内的详细物理特性（如上图所示）。任志锋认为，砷化硼被证明具有优异的物理性能，其挑战体现在以下五个方面：

如何生长出高质量、均匀的立方砷化硼单晶；第二，砷化硼是否有可能实现热导率和载流子迁移率分别达到 1300W m−1 K−1 和 1600cm2 V−1 s−1；第三，如果确实获得了更高的值，如何通过新的理论来解释这种差异；第四，是否有可能使用新理论预测更高电导率和载流子迁移率的材料；第五，如何使用晶体实现一些令人兴奋的应用。

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▲图丨任志锋（来源：任志锋）

该团队的实验研究是任志锋教授从波士顿学院物理系教授大卫·布罗多（David Broido）得知理论预测后，自 2013 年开始的。首先，理论预测是一次大胆的尝试，因为在以往的研究中，没有人认为砷化硼可具备高导热率。

但大卫·布罗多没有被传统概念所束缚，而是大胆地预测了其高导热率。“对于这样异常高的导热系数，我马上就产生了兴趣。我们很幸运，成功地培育出砷化硼单晶来证明这一理论。”任志锋说。

该团队认为，研究中最具挑战性的问题是高质量地生长高达毫米尺寸的砷化硼单晶。因为硼的熔点为 2076℃，而砷没有熔点，但在 615℃ 时会升华。而且砷毒性很大，砷化硼会在大约 920℃ 分解，这使得晶体生长极其困难。

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▲图丨立方砷化硼单晶的表征（样本 1）在角（111）刻面上（来源：Science）

尽管如此，他们克服了所有困难，在 2013-2015 年使晶体长出了大到 7 毫米的砷化硼。然而，由于晶体生长中的成核位置不受控制常导致一个晶体多个晶核，其热导率在 200-400W m−1 K−1 范围内，因此早期的晶体质量并不高。

从 2013 年起，包吉明团队就和任志锋团队合作研究光学性质，希望通过光学性质表征晶体质量进而预计热传导性能。但由于样品质量比较差，一直没有观察到能带光致发光，所以一直没有进展。

该研究的突破出现在 2016-2017 年，通过多轮实验，该团队终于能够控制晶体的成核和最终尺寸。任志锋表示，“由于不均匀，我们在小区域获得了约 1300W m−1 K−1 的热导率。事实上，不均匀仍然是我们当下尚未解决的最难问题。”

受新样品高热导的鼓舞，包吉明团队再次测量发光性质，终于在 2018 年第一次测到完美的室温下光致能带发光。用发光来对样品表面进行快速扫描，包吉明团队第一次清楚地展现了单晶样品热传导性能不均匀，有些地方并且有非常迅速的变化。

团队进一步发展了用能带发光来测量热导率的技术，使人们在无接触无损伤情况下就能测到小区域的热导率。这些工作当时由岳帅博士后完成，论文发表在 2019 年的 Materials Today Physics 上。

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▲图丨包吉明（来源：包吉明）

如果没有合适的工具，便无法创造突破。因此任志锋还指出，缺乏足够的资金支持来获得所需的设备，是该研究的另一个挑战。

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大规模应用仍需更多投入，或将代替现有的硅基元器件

砷化硼具备高热导率、电子和空穴的载流子迁移率、大的带隙以及良好的热膨胀系数，那么在哪些领域中可能应用到这种材料呢？

任志锋认为，该材料可用于需要高功率电子设备特性的应用中。刘新风进一步说道：“砷化硼首先可能会应用到稍大尺寸的二极管、三极管和场效应晶体中。随着工艺的一步步提升，最终将会应用到芯片中。如果其性能足够优秀，也有可能替代现有的硅基元器件。”

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▲图丨刘新风（来源：刘新风）

目前，加州大学洛杉矶分校的胡永杰课题组已经做了砷化硼在导热基底使用方面的研究探索，是砷化硼的一个重要应用方向。刘新风表示，太阳能电池也是砷化硼的重要应用领域之一。“2015 年已经有研究人员测试其光电流，当时由于样品太差而无法使用。但由于太阳能转换领域对于杂质的容忍度比较高，所以砷化硼在该领域首先应用的可能性比较大。”他说。

在本次研究中，该团队基于仍然有缺陷的晶体，已经实现了 1550cm2 V−1 s−1 的载流子迁移率。任志锋表示，“我相信我们在不久的将来，可实现更高的载流子迁移率，我们正在朝着这个目标努力。”

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▲图丨样品 1 中的泵探针瞬态反射率显微镜复制、载流子动力学和扩散（来源：Science）

该研究是探索新型半导体材料一个好的开端。当前，该团队只测量了它的载流子扩散运动，还没有涉及到载流子在电场下的漂移运动。接下来，他们将研究砷化硼的电学特性，探索立方相砷化硼在电场下作用下的载流子行为。其最终的目标是做成相关的半导体器件，看能否实验上观察到砷化硼优异的电学性能，据了解，相关的研究工作正在进行中。

目前，该材料的生产制备还在实验室级别，产量和质量仍需要进一步提高。是否能够量产，并以此为基础进行商业化的应用，还存在诸多不确定的因素。

刘新风说道：“要达到半导体级别的样品纯度还有很长的路要走，而如何掺杂和控制掺杂浓度是下一步要解决的重要问题。”任志锋指出，该材料大规模应用仍需要更多的投入以及与科研、产业界专家的共同努力，这样才能全面地了解该材料的物理特性。

中美团队证明立方砷化硼具有高载流子迁移率，超越硅的导热 ... 第11张图片
将与理论专家合作建立新的理论

该研究由休斯顿大学、国家纳米中心团队共同完成。休斯顿大学任志锋团队的田非博士负责生长晶体，包吉明团队的岳帅博士进行了初步的光学研究。然后，岳帅博士在休斯顿大学完成学业后， 将一些样本带回国家纳米科学中心并使用先进设备继续深入研究。

任志锋团队正在研究的课题是生长均匀的高质量砷化硼晶体， 他们将从中找出热导率和载流子迁移率的极限。如果它们远高于预测，其下一个研究课题是与理论专家合作建立新的理论来调和这些差异。“当实现这一目标时，我们将能够预测和合成更多具有更高热导率和载流子迁移率的新材料。”任志锋说。

国家纳米科学中心刘新风团队的主要研究方向是超快光学和纳米光子学，侧重在样品质量表征和载流子弛豫动力学测量方面。为精确测量载流子迁移率，他们搭建了具有超高信噪比的超快载流子扩散显微成像系统，因此非常精准地测量得到立方砷化硼晶体的载流子迁移率。

包吉明团队将继续发展新的光学技术来表征和识别，同时具有高热导率和高载流子迁移率的样品，并且研究杂质对它们的影响。

任志锋认为，当遇到科研难题时，要尝试所有可能的方法来解决它们，而不是轻易地放弃。并且，与志同道合的合作伙伴来共同探索相关的挑战也是一种有趣的经历。

“要成为一名优秀的科学家，就必须对可能发生的事情有很好的预判，并且如果要产生深远的影响，就必须敢于挑战那些看似不可能的课题。”他说。

参考资料：
1. ShuAI Yue，Fei Tian et al. Science 377,6604， 433-436 （2022）. DOI: 10.1126/science.abn4727
2. Jungwoo Shin et al. Science 377，6604，437 - 440（2022）. DOI：10.1126/science.abn4290

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