碳化硅、氮化镓靠边站,最佳半导体材料出现了?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  立方砷化硼的材料克服了硅作为半导体的两个限制,研究人员说,它可能是迄今为止发现的最好的半导体材料。

中国粉体网讯  据最新一期《科学》杂志,来自美国麻省理工学院、休斯顿大学和其他机构的一个研究团队进行的实验表明,一种名为立方砷化硼的材料克服了硅作为半导体的两个限制:为电子和空穴提供很高的迁移率,并具有良好的导热性能。研究人员说,它可能是迄今为止发现的最好的半导体材料


现有三代半导体材料一览


在现有的全部三代半导体材料中,第一代半导体材料以硅(Si)、锗(Ge)为代表,硅基材料是目前主流逻辑芯片和功率器件的基础,现代科技便是建立在以硅为代表的这类半导体材料之上的成果,目前90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。然而,硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用却受阻,且硅在高频下的工作性能较差,不适用于高压应用场景。


第二代半导体材料,主要是指化合物半导体材料,以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表,其主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件,是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料,广泛应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺,价格昂贵,并且还有毒性,污染环境,InP甚至被认为是可疑致癌物质,这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。


第三代半导体指的是SiC、GaN、ZnO、金刚石(C)、AlN等具有宽禁带(Eg>2.3eV)特性的新兴半导体材料。以第三代宽禁带功率半导体的典型代表SiC和GaN为例,其材料特性与Si材料的特性对比如下图所示:


 


第三代宽禁带功率半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求,是当前半导体材料领域最有前景的材料,在国防、航空航天、能源、通信、电动化交通、工业等领域有着重要应用前景。整体来说,SiC是目前发展最成熟的宽禁带功率半导体材料,GaN紧随其后,金刚石、AlN和Ga2O3等也成为国际前沿研究热点。


最佳半导体材料”有何秘密?


在已知材料中,金刚石和石墨烯材料的热导率都在为2000W•m-1•K-1以上,比硅(150W•m-1•K-1)高得多,似乎是理想的电子器件散热材料。然而,虽然金刚石有过被用于散热的案例,但由于天然金刚石成本过高、人造金刚石薄膜存在结构缺陷,将金刚石用于电子器件散热并不现实。而石墨烯材料由于其导热各向异性和制备难度也限制了其在器件散热方面的广泛应用。其他散热材料有GaN(热导率230W•m-1•K-1)、Al(240W•m-1•K-1)、AlN(285W•m-1•K-1)、Cu(400W•m-1•K-1)、SiC(490W•m-1•K-1)等,但其热导率与金刚石等材料的超高热导率相比存在巨大差距。


早期实验表明,立方砷化硼的导热系数几乎是硅的10倍。这对于散热来说非常有吸引力。研究还证明,这种材料具有非常好的带隙,这一特性使其作为半导体材料具有巨大潜力。


新研究表明,砷化硼具有理想半导体所需的所有主要品质,因为它具有电子和空穴的高迁移率。研究人员指出,这一点很重要,因为在半导体中,正电荷和负电荷是相等的。因此,如果要制造一种设备,就希望有一种电子和空穴的移动阻力更小的材料。热量是目前许多电子产品的主要瓶颈,在包括特斯拉在内的主要电动汽车行业中,碳化硅正取代硅成为电力电子产品,因为它的导热系数是硅的3倍,尽管它的电子迁移率较低。砷化硼的导热系数是硅的10倍,迁移率也比硅高得多,这可能改变游戏规则。


晶体生长方法


BAs晶体难以制备主要受到以下因素影响:(1)硼的熔点(2076℃)远高于砷的升华温度(614℃);(2)砷及相关反应物具有毒性;(3)硼的化学稳定性很强,很难反应;(4)生长温度超过920℃时BAs会分解为更加稳定的亚晶相(B12As2)。因此很难像GaAs等其他Ⅲ-Ⅴ族半导体材料那样采用熔体法进行晶体生长。CVT可在密闭环境下通过多温区精确控温实现化学反应控制,有效解决了上述问题,是目前开展BAs单晶制备研究的主要方法


 

CVT法生长BAs晶体原理图


CVT法是利用固相与气相的可逆反应,借助于外加的辅助气体进行晶体生长的方法,生长BAs的原理如上图所示,在真空密封的石英管内,高温端放置一定配比的高纯As和B作为源,低温端为结晶区,通过控制源区与生长区的温度分布实现气相传输,生长BAs单晶。在生长过程中采用I2卤族元素或化合物为传输剂,增强传输效率。通过原料与传输剂之间的化学反应,形成便于输运的气体,向晶体生长表面输运,在晶体生长表面再通过相应的逆反应沉积结晶。


总结


到目前为止,立方砷化硼只在实验室规模进行了制造和测试,这些产品并不均匀,还需要更多的工作来确定能否以实用、经济的形式制造立方砷化硼。但研究人员表示,在不久的将来,人们可能发现这种材料的一些优势用途,其独特的性质将带来明显改观。


参考来源:

[1]张佳欣.迄今发现的最佳半导体材料,立方砷化硼兼具导电和导热优势

[2]刘京明等.BAs晶体生长研究进展


(中国粉体网编辑整理/山川)

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