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

Арсенид бора — полупроводник с рядом интересных свойств, включая высокую теплопроводность. Теоретические расчеты ученых также предполагали, что он обладает высокой амбиполярной подвижностью носителей заряда. Теперь физики смогли доказать экспериментальным путем, что подвижность носителей заряда в кубическом кристалле арсенида бора даже выше, чем предполагалось. Это открывает широкие перспективы для развития электроники следующего поколения.

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. 

Высокая подвижность носителей заряда в кубическом арсениде бора открывает перспективы для электроники следующего поколения. Изображение: MIT

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.