替代硅的新型半導體材料

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/周凱揚）在如今的半導體行業(yè)中，散熱幾乎可以說是除PPA（功耗、性能和面積）外最不能忽視一環(huán)。就拿移動SoC為例，芯片過熱降頻的問題影響著市面任何一款智能手機。但要想極大改善半導體本身的散熱性能，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)十年來建立的穩(wěn)固地位。而在最近的一期《科學》雜志中，同時出現(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。

極佳的導熱性能正如開頭所說，熱量已經(jīng)成了半導體進一步提高性能并在各種場景中投入使用的瓶頸，所以大家紛紛開始研制具有高導熱系數(shù)的半導體材料，也正因如此，導熱系數(shù)可達500W/mK的碳化硅才開始逐漸進入汽車、航天市場，因為其導熱系數(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熱系數(shù)，通過對體單晶砷化硼的測試，其局部室溫導熱系數(shù)最高可以超過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構的話，可以做到1200W/mK的導熱系數(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率高并沒有什么，還有一項重要的參數(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。更高的載流子遷移率意味著半導體的邏輯運算速度更快，這樣在高密度的半導體芯片下可以實現(xiàn)更高的性能，正是因為碳化硅、氮化鎵等材料在電子遷移率和空穴遷移率上比不上硅，所以并沒有被廣泛用于邏輯芯片的制造中，主要還是用于功率半導體。

在麻省理工學院陳剛院士團隊和休斯敦大學任志峰教授團隊發(fā)表的論文中，他們用到了MIT開發(fā)的新技術瞬態(tài)光柵光譜，利用這種超快的激光光柵系統(tǒng)，可以同時測量材料的電性能與熱性能。而另一篇論文由國家納米中心劉新風研究團隊聯(lián)合美國休斯敦大學包吉明團隊和任志鋒團隊發(fā)表，他們搭建了一套“超快載流子擴散顯微成像系統(tǒng)”，來進行實時原位觀測。

這兩篇論文得出立方砷化硼的遷移率都在1600cm2/Vs左右，這個參數(shù)比硅高出14%左右，也超過了碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料，不過與砷化鎵這種標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)的導電性能+導熱性能，這不已經(jīng)為替代硅材料起了個好頭了？

性能或許已經(jīng)達標，但制備量產(chǎn)才是難題我們在之前的文章中已經(jīng)提到過，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體材料，也得用到5N以上的高純石英砂。目前來看，立方砷化硼在儲備上不足以與硅相抗衡，提純制備且不說只是停留在實驗室規(guī)模，還會遇上不少挑戰(zhàn)。比如電離雜質(zhì)會導致載流子遷移率的降低，中性雜質(zhì)也會降低導熱率。不僅如此，立方砷化硼要想替代硅的霸主地位，除了遷移率和導熱率之外，其他的材料性能也必須做到足夠優(yōu)異，比如長期穩(wěn)定性等。

此外，在光電應用崛起的當下，目前三五族半導體，比如砷化鎵、氮化鎵和氮化硼等材料，都開始在高效太陽能電池、固態(tài)照明和高功率、高速晶體管中得到應用，而立方砷化硼的光學參數(shù)依然有待探索。2020年也有相關的研究論文對立方砷化硼的光學特性進行分析，包括在紫外光、可見光和近紅外波長范圍下的復介電函數(shù)、折射率和吸收系數(shù)等等，只有知道了這些參數(shù)以后，利用該材料進行光電設計才能有個參照。

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