硅是地球上最豐富的元素之一，它已經成為許多現代技術的基礎，從太陽能電池到計算機芯片。但硅作為半導體材料所具備的特性還不夠理想。

一方面，盡管硅可以讓電子輕松地在其結構中穿行，但它對“空穴”（電子正電荷對應物）的適應能力要差得多，而這對某些類型的芯片來說，這兩者都很重要。此外，硅不善于導熱，這就是為什么計算機中存在過熱問題并需配備昂貴的冷卻系統的原因。

現在，麻省理工學院、休斯頓大學和其他機構的一個研究人員團隊進行了實驗，表明一種稱為立方砷化硼的材料克服了這兩個限制。它可為電子和空穴都提供高遷移率，并具有良好的導熱性。研究人員表示，這是迄今為止發現的最好的半導體材料。

目前為止，立方砷化硼只在實驗室進行小批量生產和測試。研究人員不得不使用最初由前麻省理工學院博士后Bai Song開發的特殊方法來測試材料中的小區域。要確定立方砷化硼能否以實用、經濟的方法制造出來，還需要做更多的工作，更不用說取代無處不在的硅了。但研究人員表示，即使在不久的將來，這種材料也可能在某些用途中發揮重要作用，其獨特的特性將產生重大影響。

早期研究，也包括了David Broido的研究工作，他從理論上預測了這種材料將具有高導熱性；隨后的研究工作通過實驗證明了這一預測。這項最新的研究通過實驗證實了Chen團隊在2018年做出的一個預測，并完成了分析：立方砷化硼對電子和空穴都具有非常高的遷移率，“這使得這種材料非常獨特，”Chen表示。

早期的實驗表明，立方砷化硼的熱導率幾乎是硅的10倍。“所以，就僅散熱來說它就非常有吸引力，”Chen說道。他們還證實了，該材料具有很好的帶隙，這一特性使其成為半導體材料具有很大的潛力。

現在，新的研究工作填補了這一空白，表明了砷化硼具有電子和空穴的高遷移率，具備理想半導體所需的所有主要特性。Chen表示：“這很重要，因為在半導體中，正電荷和負電荷是相等的。因此，如果你制造一個器件，你需要一種電子和空穴移動時電阻都較小的材料。”

硅具有良好的電子遷移率，但空穴遷移率較差，而其他材料，如廣泛應用于激光器的砷化鎵，同樣對電子具有良好的遷移率，但是對空穴則沒有。

“散熱是許多電子產品的主要瓶頸，”研究人員Shin表示，“在包括特斯拉（Tesla）在內的主要電動汽車行業中，碳化硅正在取代硅作為電力電子產品材料，因為盡管碳化硅的電遷移率較低，但其導熱系數比硅高出三倍。想象一下，砷化硼可以實現什么樣的效果，其導熱系數是硅的10倍，遷移率要高得多。它可以改變游戲規則。”

Shin補充道：“使這一發現成為可能的關鍵里程碑是麻省理工學院超快激光光柵系統的進步，”這一系統最初由Song開發。他表示，如果沒有這種技術，就不可能證明這種材料對電子和空穴的高遷移率。

他表示，立方砷化硼的電子特性最初是根據Chen團隊的量子力學密度函數預測得出的，這些預測現在已經通過麻省理工學院的實驗得到驗證，實驗使用了Ren和休斯頓大學團隊成員制作的樣品的光學檢測方法。

研究人員表示，這種材料的導熱性不僅是所有半導體中最好的，而且在所有材料中，它的導熱性排名第三，僅次于金剛石和富含同位素的立方氮化硼。Chen說道：“現在，我們預測了電子和空穴的量子力學行為，也是根據第一原理，這也被證明是正確的。”

他表示：“這令人印象深刻，因為除了石墨烯之外，我不知道還有任何其他材料具有所有這些特性。”

Chen表示，現在我們面臨的挑戰是找出切實可行的方法，生產足夠多的這種材料。目前制造這種材料的方法智能產生非常不均勻的材料，因此團隊必須找到方法來對一小塊材料進行測試，使這些小塊材料足夠均勻以提供可靠的數據。雖然他們已經證明了這種材料的巨大潛力，“但我們不知道它是否會被實際使用，也不知道它會在哪里使用，”Chen說道。

“硅是整個行業的主力軍，”Chen表示。“所以，好吧，我們有了一種更好的材料，但它真的會在這個行業中作為后備軍嗎？我們不知道。”雖然這種材料看起來幾乎是一種理想的半導體，“但它是否真的能用來制造一個器件并取代當前市場的一部分，我認為這還有待證明。”

雖然熱性能和電性能已經被證明是優異的，但一種材料還有許多其他性能有待測試，例如其長期穩定性。“要制造器件，還有許多其他因素我們還不知道。”Chen表示。

他補充說道：“這真的很重要，人們甚至沒有真正注意到這種材料。”現在，砷化硼的理想特性已經變得更加清楚，這表明該材料“在許多方面是最好的半導體，”他說道，“也許行業會對這種材料給予更多關注。”

對于其商業應用，Ren表示：“一個巨大的挑戰是如何像硅一樣有效地生產和提純立方砷化硼。硅花了幾十年的時間才贏得桂冠，其純度超過99.99999%。”

硅已獲市場肯定，Chen表示：“確實需要更多的人開發出不同的方法來制造更好的材料并對其進行表征。”

審核編輯 ：李倩