Физики уверены, что обнаружили замену кремнию — это лучший в мире полупроводник

Физики доказали экспериментальным путем, что кубический кристалл арсенида бора обеспечивает высокую подвижность носителей как для электронов, так и для дырок — двух способов переноса заряда в полупроводниковом материале.

Для некоторых отраслей требуется полупроводник как с высокой теплопроводностью, так и с высокой подвижностью электронов и дырок. Более ранние исследования показали, что кубический арсенид бора обладает высокой теплопроводностью. В частности, еще в 2018 году кристалл продемонстрировал гораздо более высокую теплопроводность, чем традиционные полупроводники. 

Полупроводники требуют, чтобы ток проходил как через электроны, так и через дырки, но большинство известных науке материалов обеспечивают высокую подвижность только для одного типа носителей. А общий КПД полупроводника определяется нижним значением. 

Ранее ученые уже выдвигали предположения, что кристалл арсенида бора может демонстрировать одновременно высокую подвижность электронов и дырок. А в недавних работах, опубликованных в журнале Science, американскими и китайскими учеными изложены экспериментальные подтверждения высокой подвижности носителей заряда материала при комнатной температуре. 

Измерение подвижности носителей было затруднено тем, что кристалл не был большим и однородным, то есть традиционные методы измерения, такие как эффект Холла, не могли точно определить его свойства. Поэтому измерения проводились разными методами в лабораториях Китая и США.

Подвижность носителей заряда измеряется в см^2/(В·с). Исследователи сообщили о подвижности 1600 см^2/(В·с) при использовании метода оптической переходной решетки для измерения как электрической подвижности, так и теплопроводности.

При использовании микроскопии нестационарной отражательной способности для измерения кристалла подвижность находилась в диапазоне от 1500 до 3000 см^2/(В·с), причем максимальные ее значения достигались при применении лазерных импульсов для возбуждения носителей в образце, чтобы контролировать их диффузию. Во время эксперимента ученые также обнаружили ключевое различие между кубическим кристаллом арсенида бора и большинством полупроводниковых материалов. Например, в кремнии электроны движутся примерно в четыре раза быстрее, чем дырки. В арсениде бора дырки движутся быстрее, чем электроны, но и электроны, и дырки продемонстрировали необычно высокую подвижность, что улучшает общие свойства материала.

Структура кубического кристалла арсенида бора затрудняет охлаждение носителей заряда, а это означает, что они дольше сохраняют тепло и, как следствие, высокую подвижность. 

Поэтому потенциал арсенида бора, обладающего и высокой теплопроводностью, и высокой амбивалентной подвижностью, сложно переоценить. Эти работы имеют важное значение для развития электроники и оптики. Вероятно, прорыв в этих областях будет подобен достижениям, которые последовали за появлением в свое время кремниевых пластин.