10倍熱導(dǎo)率，替代硅的新型半導(dǎo)體材料

在如今的半導(dǎo)體行業(yè)中，散熱幾乎可以說(shuō)是除PPA（功耗、性能和面積）外最不能忽視一環(huán)。就拿移動(dòng)SoC為例，芯片過(guò)熱降頻的問(wèn)題影響著市面任何一款智能手機(jī)。但要想極大改善半導(dǎo)體本身的散熱性能，幾乎都得從材料上入手，這也就意味著我們必須推翻硅在數(shù)十年來(lái)建立的穩(wěn)固地位。而在最近的一期《科學(xué)》雜志中，同時(shí)出現(xiàn)了兩篇立方砷化硼的論文，描述了這種新式材料替代硅的可能性。

極佳的導(dǎo)熱性能

正如開(kāi)頭所說(shuō)，熱量已經(jīng)成了半導(dǎo)體進(jìn)一步提高性能并在各種場(chǎng)景中投入使用的瓶頸，所以大家紛紛開(kāi)始研制具有高導(dǎo)熱系數(shù)的半導(dǎo)體材料，也正因如此，導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)500W/mK的碳化硅才開(kāi)始逐漸進(jìn)入汽車(chē)、航天市場(chǎng)，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅材料的三倍以上。

早在2018年，研究人員發(fā)現(xiàn)這種砷化硼材料可能具備更高的導(dǎo)熱系數(shù)，通過(guò)對(duì)體單晶砷化硼的測(cè)試，其局部室溫導(dǎo)熱系數(shù)最高可以超過(guò)1000W/mK，平均值大概在900W/mK左右。在后續(xù)的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)如果選用立方砷化硼這種結(jié)構(gòu)的話，可以做到1200W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)，接近硅材料的十倍，也是碳化硅、銅等材料的三倍左右。

高載流子遷移率

單單只是熱導(dǎo)率高并沒(méi)有什么，還有一項(xiàng)重要的參數(shù)，那就是載流子遷移率（電子遷移率和空穴遷移率），這也是兩篇論文研究的重點(diǎn)。更高的載流子遷移率意味著半導(dǎo)體的邏輯運(yùn)算速度更快，這樣在高密度的半導(dǎo)體芯片下可以實(shí)現(xiàn)更高的性能，正是因?yàn)樘蓟琛?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/氮化鎵/" target="_blank">氮化鎵等材料在電子遷移率和空穴遷移率上比不上硅，所以并沒(méi)有被廣泛用于邏輯芯片的制造中，主要還是用于功率半導(dǎo)體。

在麻省理工學(xué)院陳剛院士團(tuán)隊(duì)和休斯敦大學(xué)任志峰教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文中，他們用到了MIT開(kāi)發(fā)的新技術(shù)瞬態(tài)光柵光譜，利用這種超快的激光光柵系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)量材料的電性能與熱性能。而另一篇論文由國(guó)家納米中心劉新風(fēng)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)休斯敦大學(xué)包吉明團(tuán)隊(duì)和任志鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)表，他們搭建了一套“超快載流子擴(kuò)散顯微成像系統(tǒng)”，來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)原位觀測(cè)。

這兩篇論文得出立方砷化硼的遷移率都在1600cm2/Vs左右，這個(gè)參數(shù)比硅高出14%左右，也超過(guò)了碳化硅、氮化鎵等第三代半導(dǎo)體材料，不過(guò)與砷化鎵這種標(biāo)榜超高電子遷移率的材料相比還是有著不小差距。話雖如此，更優(yōu)的導(dǎo)電性能+導(dǎo)熱性能，這不已經(jīng)為替代硅材料起了個(gè)好頭了？

性能或許已經(jīng)達(dá)標(biāo)，但制備量產(chǎn)才是難題

我們?cè)谥暗奈恼轮幸呀?jīng)提到過(guò)，硅作為最為豐富的元素之一，幾乎四處可尋，但要想做到作為半導(dǎo)體材料，也得用到5N以上的高純石英砂。目前來(lái)看，立方砷化硼在儲(chǔ)備上不足以與硅相抗衡，提純制備且不說(shuō)只是停留在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，還會(huì)遇上不少挑戰(zhàn)。比如電離雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致載流子遷移率的降低，中性雜質(zhì)也會(huì)降低導(dǎo)熱率。不僅如此，立方砷化硼要想替代硅的霸主地位，除了遷移率和導(dǎo)熱率之外，其他的材料性能也必須做到足夠優(yōu)異，比如長(zhǎng)期穩(wěn)定性等。

此外，在光電應(yīng)用崛起的當(dāng)下，目前三五族半導(dǎo)體，比如砷化鎵、氮化鎵和氮化硼等材料，都開(kāi)始在高效太陽(yáng)能電池、固態(tài)照明和高功率、高速晶體管中得到應(yīng)用，而立方砷化硼的光學(xué)參數(shù)依然有待探索。2020年也有相關(guān)的研究論文對(duì)立方砷化硼的光學(xué)特性進(jìn)行分析，包括在紫外光、可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)范圍下的復(fù)介電函數(shù)、折射率和吸收系數(shù)等等，只有知道了這些參數(shù)以后，利用該材料進(jìn)行光電設(shè)計(jì)才能有個(gè)參照。

結(jié)語(yǔ)

盡管立方砷化硼在導(dǎo)熱性能和遷移率上給到了不錯(cuò)的前景，但離正式投入商用還有很長(zhǎng)的一條路要走。目前立方砷化硼最大的優(yōu)勢(shì)還是在導(dǎo)熱性能上，未來(lái)很可能會(huì)在一些對(duì)熱要求更高的半導(dǎo)體場(chǎng)景中使用，甚至是作為傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的導(dǎo)熱介質(zhì)等等。