Во-первых, хотя кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к "дырам" - положительно заряженным аналогам электронов, - и использование того и другого важно для некоторых видов чипов. Более того, кремний не очень хорошо проводит тепло, поэтому в компьютерах часто возникают проблемы с перегревом и дорогостоящими системами охлаждения.

Теперь команда исследователей из Массачусетского технологического института, Университета Хьюстона и других институтов провела эксперименты, показывающие, что материал, известный как кубический арсенид бора, преодолевает оба этих ограничения. Он обеспечивает высокую подвижность как электронов, так и дырок и обладает отличной теплопроводностью. По словам исследователей, это лучший полупроводниковый материал, когда-либо найденный, и, возможно, самый лучший из возможных.

До сих пор кубический арсенид бора производился и испытывался только небольшими партиями в лабораторных условиях, которые не являются однородными. Исследователям пришлось использовать специальные методы, первоначально разработанные бывшим постдоком Массачусетского технологического института Бай Сонгом, для тестирования небольших областей внутри материала. Потребуется больше работы, чтобы определить, можно ли получить кубический арсенид бора в практичной, экономичной форме, не говоря уже о замене вездесущего кремния. Но даже в ближайшем будущем материал может найти некоторые применения, где его уникальные свойства будут иметь существенное значение, говорят исследователи.

Результаты исследования опубликованы в журнале Наука, в статье постдока Массачусетского технологического института Чжунгву Шина и профессора машиностроения Массачусетского технологического института Ган Чена; Чжифэн Рен из Хьюстонского университета; и 14 других сотрудников Массачусетского технологического института, Хьюстонского университета, Техасского университета в Остине и Бостонского колледжа.

Более ранние исследования, включая работу Дэвида Бройдо, который является соавтором новой статьи, теоретически предсказывали, что материал будет обладать высокой теплопроводностью; последующая работа подтвердила это предсказание экспериментально. Эта последняя работа завершает анализ, экспериментально подтверждая предсказание, сделанное группой Чена еще в 2018 году: кубический арсенид бора также будет обладать очень высокой подвижностью как для электронов, так и для дырок, "что делает этот материал действительно уникальным", - говорит Чен.

Более ранние эксперименты показали, что теплопроводность кубического арсенида бора почти в 10 раз больше, чем у кремния. "Итак, это очень привлекательно только для отвода тепла", - говорит Чен. Они также показали, что материал обладает очень хорошей запрещенной зоной, свойством, которое придает ему большой потенциал в качестве полупроводникового материала.

Теперь новая работа дополняет картину, показывая, что благодаря своей высокой подвижности как для электронов, так и для дырок арсенид бора обладает всеми основными качествами, необходимыми для идеального полупроводника. "Это важно, потому что, конечно, в полупроводниках мы имеем как положительные, так и отрицательные заряды эквивалентно. Итак, если вы создаете устройство, вы хотите иметь материал, в котором и электроны, и дырки движутся с меньшим сопротивлением", - говорит Чен.

Кремний обладает хорошей подвижностью электронов, но плохой подвижностью дырок, и другие материалы, такие как арсенид галлия, широко используемый для лазеров, аналогичным образом обладают хорошей подвижностью для электронов, но не для дырок.

"Тепло в настоящее время является основным узким местом для многих электронных устройств", - говорит Шин, ведущий автор статьи. "Карбид кремния заменяет кремний для силовой электроники в основных отраслях электромобилей, включая Tesla, поскольку он обладает в три раза более высокой теплопроводностью, чем кремний, несмотря на его меньшую электрическую подвижность. Представьте себе, чего могут достичь арсениды бора, обладающие в 10 раз более высокой теплопроводностью и гораздо более высокой подвижностью, чем кремний. Это может изменить ход игры".

Шин добавляет: "Важнейшей вехой, которая делает возможным это открытие, являются достижения в области сверхбыстрых лазерных решеточных систем в Массачусетском технологическом институте", первоначально разработанных Сонгом. По его словам, без этой техники было бы невозможно продемонстрировать высокую подвижность материала для электронов и дырок.

По его словам, электронные свойства кубического арсенида бора были первоначально предсказаны на основе расчетов квантово-механической функции плотности, выполненных группой Чена, и теперь эти предсказания были подтверждены экспериментами, проведенными в Массачусетском технологическом институте с использованием методов оптического обнаружения на образцах, изготовленных Реном и членами команды из Университета Хьюстона.

Исследователи говорят, что этот материал не только обладает лучшей теплопроводностью среди всех полупроводников, но и занимает третье место по теплопроводности среди всех материалов - после алмаза и изотопно обогащенного кубического нитрида бора. "И теперь мы предсказали квантово-механическое поведение электронов и дырок, также исходя из первых принципов, и это также подтвердилось", - говорит Чен.

"Это впечатляет, потому что на самом деле я не знаю ни одного другого материала, кроме графена, который обладал бы всеми этими свойствами", - говорит он. "И это сыпучий материал, обладающий такими свойствами".

По его словам, сейчас задача состоит в том, чтобы найти практические способы производства этого материала в пригодных для использования количествах. Современные методы его изготовления дают очень неоднородный материал, поэтому команде пришлось найти способы протестировать только небольшие локальные участки материала, которые были бы достаточно однородными, чтобы обеспечить достоверные данные. Хотя они продемонстрировали огромный потенциал этого материала, "мы не знаем, будет ли он использоваться на самом деле и где именно", - говорит Чен.

"Кремний - это рабочая лошадка всей отрасли", - говорит Чен. "Итак, хорошо, у нас есть материал, который лучше, но действительно ли это компенсирует индустрию? Мы не знаем." Хотя материал выглядит почти идеальным полупроводником, "я думаю, что это еще предстоит доказать, действительно ли он может попасть в устройство и заменить часть существующего рынка".

И хотя было доказано, что тепловые и электрические свойства превосходны, есть много других свойств материала, которые еще предстоит проверить, таких как его долгосрочная стабильность, говорит Чен. "Для создания устройств существует много других факторов, о которых мы пока не знаем".

Он добавляет: "Потенциально это может быть действительно важно, а люди на самом деле даже не обратили внимания на этот материал". Теперь, когда желательные свойства арсенида бора стали более ясными, предполагая, что этот материал "во многих отношениях является лучшим полупроводником", говорит он, "возможно, этому материалу будет уделено больше внимания".

Для коммерческого использования, говорит Рен, "одной из главных задач было бы получение и очистка кубического арсенида бора так же эффективно, как кремния. Кремнию потребовались десятилетия, чтобы завоевать корону, его чистота составляет более 99,99999999 процентов, или "10 девяток" для массового производства сегодня".

По словам Чена, для того, чтобы это стало практичным на рынке, "действительно требуется больше людей для разработки различных способов изготовления более качественных материалов и их характеристики". Будет ли доступно необходимое финансирование для такой разработки, еще предстоит выяснить, говорит он.

Исследование проводилось при поддержке Управления военно-морских исследований США и использовало средства совместного экспериментального центра MRSEC Массачусетского технологического института при поддержке Национального научного фонда.