广告

MIT研究人员发现了一种性能比硅更好的半导体材料

2022-07-22 11:43:45 MIT 阅读:
硅是地球上最丰富的元素之一,其纯净形式已成为许多现代技术的基础,从太阳能电池到计算机芯片,但硅作为半导体的特性远非理想。现在,来自 MIT、休斯顿大学和其他机构的一组研究人员发现了一种称为立方砷化硼的材料,这种材料可以克服硅的上述两个限制。其为电子和电洞提供了高迁移率,并具有优良的热导率。研究人员表示,这是迄今为止发现最好的半导体材料,在将来也可能说是最好的材料。

硅是地球上最丰富的元素之一,其纯净形式已成为许多现代技术的基础,从太阳能电池到计算机芯片。但硅作为半导体的特性远非理想。B82ednc

一方面,尽管硅可以让电子轻松穿过其结构,但它不太适合“空穴,holes”,电洞相当于带正电的粒子,在半导体的导电中起主要作用,因此对芯片来说很重要。更重要的是,硅不太擅长导热,这就是为什么过热问题和昂贵的冷却系统在计算机中很常见的原因。B82ednc

现在,来自 MIT、休斯顿大学和其他机构的一组研究人员发现了一种称为立方砷化硼的材料,这种材料可以克服硅的上述两个限制。其为电子和电洞提供了高迁移率,并具有优良的热导率。研究人员表示,这是迄今为止发现最好的半导体材料,在将来也可能说是最好的材料。B82ednc

到目前为止,立方砷化硼的研究还处于在实验室小规模批量生产和测试阶段。因此研究人员采用最初由前 MIT 博士后 Bai Song 开发的特殊方法来测试材料中的小区域。研究者还需要做更多的工作来确定立方砷化硼是否可以以实用、经济的形式制造,现在看来替代无处不在的硅也是很遥远的事。研究人员表示,但在不久的将来,这种材料也可以找到一些其他用途,其独特的特性会产生重大影响。B82ednc

该发现已发表在《科学》杂志上,由麻省理工学院博士后 Jungwoo Shin 和麻省理工学院机械工程教授 Gang Chen 撰写。B82ednc

B82ednc

早期的研究,包括新论文的合著者大卫·布罗伊多的工作,从理论上预测该材料将具有高导热性。随后的工作通过实验证明了这一预测。这项最新工作通过实验证实了 Chen 团队早在 2018 年做出的预测,从而完成了分析:立方砷化硼对电子和空穴也具有非常高的迁移率,“这使得这种材料非常独特,”Chen 说。B82ednc

较早的实验表明,立方砷化硼的热导率几乎是硅的 10 倍。“所以,这对于散热来说非常有吸引力,”陈说。他们还表明,该材料具有非常好的带隙,这一特性使其具有作为半导体材料的巨大潜力。B82ednc

现在,这项新工作填补了这幅图景,表明砷化硼具有高电子和空穴迁移率,具有理想半导体所需的所有主要品质。“这很重要,因为当然在半导体中,我们同时有正电荷和负电荷。所以,如果你制造一个设备,你想要一种电子和空穴都以较小的阻力传播的材料,”Chen 说。B82ednc

硅具有良好的电子迁移率,但空穴迁移率较差,而其他材料(如广泛用于激光器的砷化镓)同样具有良好的电子迁移率,但对空穴不具有良好的迁移率。B82ednc

“热量现在是许多电子产品的主要瓶颈,”该论文的主要作者 Shin 说。“碳化硅正在取代包括特斯拉在内的主要电动汽车行业的电力电子产品硅,因为尽管电迁移率较低,但它的导热率是硅的三倍。想象一下砷化硼可以达到什么效果,其导热率和迁移率比硅高 10 倍。它可以改变游戏规则。”B82ednc

Shin 补充说,“使这一发现成为可能的关键里程碑是麻省理工学院超快激光光栅系统的进步,”最初由 Song 开发。他说,如果没有这种技术,就不可能证明该材料对电子和空穴的高迁移率。B82ednc

他说,立方砷化硼的电子特性最初是根据 Chen 的小组所做的量子力学密度函数计算来预测的,现在这些预测已经通过在 MIT 进行的实验得到验证,该实验使用了 Ren 及其成员制作的样品的光学检测方法。休斯顿大学的团队。B82ednc

研究人员说,这种材料的热导率不仅是所有半导体中最好的,而且在所有材料中热导率排名第三——仅次于金刚石和富含同位素的立方氮化硼。“现在,我们也从第一原理预测了电子和空穴的量子力学行为,这也被证明是正确的,”陈说。B82ednc

“这令人印象深刻,因为除了石墨烯之外,我实际上不知道有任何其他材料具有所有这些特性,”他说。“这是一种具有这些特性的散装材料。”B82ednc

他说,现在的挑战是找出使这种材料达到可用数量的实用方法。目前制造非常不均匀的材料的方法,因此团队必须找到方法来测试材料的小局部补丁,这些补丁足够均匀以提供可靠的数据。虽然他们已经证明了这种材料的巨大潜力,但“我们不知道它是否或在哪里实际使用,”陈说。B82ednc

“硅是整个行业的主力,”陈说。“所以,好吧,我们有一种更好的材料,但它真的会抵消这个行业吗?我们不知道。” 虽然这种材料看起来几乎是一种理想的半导体,但“它是否真的可以进入设备并取代目前的一些市场,我认为这还有待证明。”B82ednc

陈说,虽然热性能和电性能已被证明非常出色,但材料的许多其他性能仍有待测试,例如其长期稳定性。“要制造设备,还有许多我们还不知道的其他因素。”B82ednc

他补充说,“这可能非常重要,人们甚至没有真正关注过这种材料。” 现在砷化硼的理想特性已经变得更加清晰,这表明该材料“在许多方面都是最好的半导体”,他说,“也许这种材料会受到更多关注。”B82ednc

对于商业用途,Ren 说,“一个巨大的挑战是如何像硅一样有效地生产和纯化立方砷化硼。……硅花了几十年的时间才赢得桂冠,纯度超过 99.99999999%,或者今天的大规模生产是 '10 个九'。”B82ednc

陈说,要使其在市场上实用,“确实需要更多的人开发不同的方法来制造更好的材料并对其进行表征。” 他说,这种发展所需的资金是否可用还有待观察。B82ednc

参考链接:The best semiconductor of them all?;Demi Xia编译B82ednc

责编:Demi
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 复旦大学研究人员发明晶圆级硅基二维互补叠层晶体管 复旦大学研究团队将新型二维原子晶体引入传统的硅基芯片制造流程,实现了晶圆级异质CFET技术。相比于硅材料,二维原子晶体的单原子层厚度使其在小尺寸器件中具有优越的短沟道控制能力。
  • 宝马AI“超级大脑”上线,驱动在华数字化发展 近日,宝马率先在华部署了代号为“灯塔”(BEACON)的人工智能(AI)平台,提供AI应用创新相关的开发、部署、集成与运行服务的平台化环境,加速实现多业务场景数字化。
  • 西工大打破吉尼斯世界纪录,扑翼式无人机单次充电飞行15 据西北工业大学官宣其扑翼式无人机单次充电飞行时间获得新的吉尼斯世界纪录,认定的纪录时间为 2 小时 34 分 38 秒 62(突破 154 分钟)。本次刷新世界纪录的“云鸮”扑翼式无人机采用了高升力大推力柔性扑动翼设计、高效仿生驱动系统设计和微型飞控导航一体化集成等关键技术,翼展 1.82m,空载起飞重量为 1kg,手抛起飞,滑翔降落,能够按设定航线自主飞行,飞行过程中能实时变更航线。
  • 麻省理工开发出纸一样薄的太阳能电池,每公斤功率是传统 麻省理工学院称其工程师开发出超轻织物太阳能电池,可以快速轻松地将任何表面变成电源。这些耐用、灵活的太阳能电池比人的头发丝细得多,粘在坚固、轻便的织物上,使其易于安装在固定表面上。它们的重量是传统太阳能电池板的百分之一,每公斤产生的功率是传统太阳能电池板的18倍。
  • 英特尔展示下一代半导体器件技术,计划2030年实现万亿级 日前,英特尔在IEDM上展示多项与半导体制造技术相关的研究成果:3D封装技术的新进展,可将密度再提升10倍;超越RibbonFET,用于2D晶体管微缩的新材料,包括仅三个原子厚的超薄材料;能效和存储的新可能,以实现更高性能的计算;量子计算的新进展。此外,英特尔表示,目标是在2030年实现在单个封装中集成一万亿个晶体管。
  • 湖南大学:基于2D的范德华异质结构,可用于晶体管及存储器 电子工程研究的一个关键目标是开发高性能和高能效的计算设备,这意味着它们可以快速计算信息,同时消耗很少的能量。一种可能的方法是将执行逻辑操作的单元和存储组件组合到一个设备中。
  • Codasip宣布成立Codasip实验室,以加速行业前沿技术的开 Codasip今日宣布成立Codasip实验室(Codasip Labs)。作为公司内部创新中心,新的Codasip实验室将支持关键应用领域中创新技术的开发和商业应用,覆盖了安全、功能安全(FuSa)和人工智能/机器学习(AI/ML)等方向。
  • 了解机器感知:激光雷达、3D视觉和地理空间AI 随着人工智能(AI)和物理世界的交叉,以及自主技术采用的增加,有人可能会提出质疑,机器及其目前脆弱的模型如何能以人类的方式感知世界。借助于诸如激光雷达、雷达和摄像头等自动驾驶汽车上所使用的传感器技术,机器已开始能收集实时数据来为决策提供信息,并适应现实世界的场景。
  • 实现物联网部署可扩展性时的主要问题 为什么三分之二的物联网项目都失败了?许多人低估了物联网的复杂性,以及使系统可视化来实现可扩展性的重要。
  • 上海特斯拉前员工:Model Y生产中降低某项重要工艺规格, 据EDN电子技术设计了解,12月8日上午,账号为Laniakea_1188的微博用户公开举报特斯拉,称上海特斯拉在Model Y车型生产过程中,降低某项重要工艺规格问题线索,并指出如果该项变化的风险评估、白车身验证、整车验证不充分,将不能排除影响承载式车身强度乃至整车安全性的可能。
  • 矽递科技为荷兰养猪场打造基于LoRa®和LoRaWAN®的环 通过物联网技术监测养殖环境,为生猪健康提供有效保障
  • 在美国企业抵制之下,美国将放宽联邦机构及承包商使用中 这议案被视为美国《国防授权法案》(NDAA)的一项修正案,遭到美国商会和其他贸易组织的抵制。这些组织在上个月的一封信中称,企业要确定大量电子产品中的芯片是否是中国企业制造的,成本将很高,难度也很大。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了