Silicium is een van de meest voorkomende elementen op aarde en in zijn pure vorm is het materiaal de basis geworden van veel moderne technologie, van zonnecellen tot computerchips. Maar de eigenschappen van silicium als halfgeleider zijn verre van ideaal.

Om te beginnen, hoewel silicium elektronen gemakkelijk door zijn structuur laat suizen, is het veel minder geschikt voor "gaten" - de positief geladen tegenhangers van elektronen - en het benutten van beide is belangrijk voor sommige soorten chips. Bovendien is silicium niet erg goed in het geleiden van warmte, daarom komen oververhittingsproblemen en dure koelsystemen veel voor in computers.

Nu heeft een team van onderzoekers van het MIT, de Universiteit van Houston en andere instellingen experimenten uitgevoerd die aantonen dat een materiaal dat bekend staat als kubisch boorarsenide beide beperkingen overwint. Het biedt een hoge mobiliteit aan zowel elektronen als gaten en heeft een uitstekende thermische geleidbaarheid. Het is, zeggen de onderzoekers, het beste halfgeleidermateriaal dat ooit is gevonden, en misschien wel het best mogelijke.

Tot nu toe is kubisch boorarsenide alleen gemaakt en getest in kleine batches op laboratoriumschaal die niet uniform zijn. De onderzoekers moesten speciale methoden gebruiken die oorspronkelijk waren ontwikkeld door voormalig MIT-postdoc Bai Song om kleine regio's in het materiaal te testen. Er zal meer werk nodig zijn om te bepalen of kubisch boorarsenide in een praktische, economische vorm kan worden gemaakt, laat staan ​​het alomtegenwoordige silicium vervangen. Maar zelfs in de nabije toekomst zou het materiaal een aantal toepassingen kunnen vinden waarbij zijn unieke eigenschappen een significant verschil zouden maken, zeggen de onderzoekers.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Science , in een paper van MIT-postdoc Jungwoo Shin en MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde Gang Chen; Zhifeng Ren aan de Universiteit van Houston; en 14 anderen aan het MIT, de Universiteit van Houston, de Universiteit van Texas in Austin en Boston College.

Eerder onderzoek, inclusief werk van David Broido, die een co-auteur is van het nieuwe artikel, had theoretisch voorspeld dat het materiaal een hoge thermische geleidbaarheid zou hebben; later werk bewees die voorspelling experimenteel. Dit laatste werk voltooit de analyse door experimenteel een voorspelling te bevestigen die door de groep van Chen in 2018 werd gedaan:dat kubisch boorarsenide ook een zeer hoge mobiliteit zou hebben voor zowel elektronen als gaten, "wat dit materiaal echt uniek maakt", zegt Chen.

De eerdere experimenten toonden aan dat de thermische geleidbaarheid van kubisch boorarsenide bijna 10 keer groter is dan die van silicium. "Dus dat is heel aantrekkelijk, alleen voor warmteafvoer", zegt Chen. Ze toonden ook aan dat het materiaal een zeer goede bandgap heeft, een eigenschap die het een groot potentieel geeft als halfgeleidermateriaal.

Nu vult het nieuwe werk het beeld en laat zien dat boorarsenide met zijn hoge mobiliteit voor zowel elektronen als gaten alle belangrijke eigenschappen heeft die nodig zijn voor een ideale halfgeleider. "Dat is belangrijk omdat we in halfgeleiders natuurlijk zowel positieve als negatieve ladingen hebben. Dus als je een apparaat bouwt, wil je een materiaal hebben waarin zowel elektronen als gaten met minder weerstand reizen", zegt Chen.

Silicium heeft een goede elektronenmobiliteit maar een slechte mobiliteit van gaten, en andere materialen zoals galliumarsenide, dat veel wordt gebruikt voor lasers, hebben ook een goede mobiliteit voor elektronen, maar niet voor gaten.

"Hitte is nu een belangrijk knelpunt voor veel elektronica", zegt Shin, de hoofdauteur van het artikel. "Siliciumcarbide vervangt silicium voor vermogenselektronica in grote EV-industrieën, waaronder Tesla, omdat het een drie keer hogere thermische geleidbaarheid heeft dan silicium ondanks zijn lagere elektrische mobiliteit. Stel je voor wat boorarseniden kunnen bereiken, met een 10 keer hogere thermische geleidbaarheid en veel hogere mobiliteit dan silicium. Het kan een gamechanger zijn."

Shin voegt toe:"De cruciale mijlpaal die deze ontdekking mogelijk maakt, is de vooruitgang in ultrasnelle laserroostersystemen aan het MIT", oorspronkelijk ontwikkeld door Song. Zonder die techniek, zegt hij, zou het niet mogelijk zijn geweest om de hoge mobiliteit van het materiaal voor elektronen en gaten aan te tonen.

The electronic properties of cubic boron arsenide were initially predicted based on quantum mechanical density function calculations made by Chen's group, he says, and those predictions have now been validated through experiments conducted at MIT, using optical detection methods on samples made by Ren and members of the team at the University of Houston.

Not only is the material's thermal conductivity the best of any semiconductor, the researchers say, it has the third-best thermal conductivity of any material—next to diamond and isotopically enriched cubic boron nitride. "And now, we predicted the electron and hole quantum mechanical behavior, also from first principles, and that is also proven to be true," Chen says.

"This is impressive, because I actually don't know of any other material, other than graphene, that has all these properties," he says. "And this is a bulk material that has these properties."

The challenge now, he says, is to figure out practical ways of making this material in usable quantities. The current methods of making it produce very non-uniform material, so the team had to find ways to test just small local patches of the material that were uniform enough to provide reliable data. While they have demonstrated the great potential of this material, "whether or where it's going to actually be used, we do not know," Chen says.

"Silicon is the workhorse of the entire industry," says Chen. "So, okay, we've got a material that's better, but is it actually going to offset the industry? We don't know." While the material appears to be almost an ideal semiconductor, "whether it can actually get into a device and replace some of the current market, I think that still has yet to be proven."

And while the thermal and electrical properties have been shown to be excellent, there are many other properties of a material that have yet to be tested, such as its long-term stability, Chen says. "To make devices, there are many other factors that we don't know yet."

He adds, "This potentially could be really important, and people haven't really even paid attention to this material." Now that boron arsenide's desirable properties have become more clear, suggesting the material is "in many ways the best semiconductor," he says, "maybe there will be more attention paid to this material."

For commercial uses, Ren says, "One grand challenge would be how to produce and purify cubic boron arsenide as effectively as silicon. … Silicon took decades to win the crown, having purity of over 99.99999999 percent, or '10 nines' for mass production today."

For it to become practical on the market, Chen says, "it really requires more people to develop different ways to make better materials and characterize them." Whether the necessary funding for such development will be available remains to be seen, he says.