Как пошатнуть основы. Неужели кремнию нашли замену?

Кубический арсенид бора – лучший полупроводник? Источник.

Мы уже привыкли, что образ жизни современного человека стоит на технологическом фундаменте, а, будучи одним из самых распространённых и полезных нам элементов, кремний стал основой едва ли не всех сегодняшних технологий. Вопрос «что бы мы делали без кремния?» мы давно привыкли считать риторическим, но, если рассмотреть ситуацию по существу, то – и правда: что бы мы без него делали? Ведь несмотря на то, что на нём держится практически всё – от солнечных батарей до процессоров, – он оказывается далеко не идеальным полупроводником.

Столь парадоксальное положение дел объясняется несколькими фактами. Во-первых, хотя кремний и легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее приспособлен к так называемым дыркам – положительно заряженным аналогам электронов. В то же время для некоторых типов микросхем принципиально необходимо использование обоих участников процесса. Во-вторых – что, возможно, ещё более важно, – теплопроводность кремния оставляет желать лучшего. Такая ситуация вызывает проблемы с перегревом и дорогими системами охлаждения вычислительных машин, что в целом пагубно сказывается как на быстродействии компьютеров, так и на их энергоэффективности.

Эта кажущаяся обывателю странность на самом деле дала повод для множества исследований полупроводниковых материалов. И вот группа исследователей из Массачусетского технологического института, Университета Хьюстона и других учреждений экспериментально доказала, что кубический арсенид бора, преодолевает обе вышеупомянутые слабости кремния. Он обеспечивает высокую подвижность как электронов, так и дырок и обладает просто-таки отличной теплопроводностью. Учёные считают его лучшим из когда-либо найденных полупроводников, и более того: вполне может статься, что он окажется даже лучшим из возможных.

До сих пор кубический арсенид бора использовался для лабораторных нужд, отчего и производился лишь небольшими неоднородными партиями. Это заставило учёных использовать специальные методы, ранее разработанные постдоком MIT Бай Сонгом для тестирования небольших участков материала. Конечно, потребуется немало дополнительных исследований прежде, чем можно будет говорить о шансах на замену вездесущего кремния. Однако если кубический арсенид бора можно будет производить в практичной и экономичной форме, то благоприятный исход весьма вероятен. Мало того, исследователи утверждают, что мы уже завтра можем применить этот материал там, где его уникальные свойства дадут существенное превосходство.

Более ранние теоретические исследования – в том числе работа Дэвида Бройдо, соавтора статьи о проекте в журнале Science – предсказывали, что вещество будет иметь высокую теплопроводность, но экспериментально это подтвердилось позже. Сегодняшняя же работа выступает завершающей стадией анализа, подтвердив в ходе эксперимента предсказание, сделанное группой профессора машиностроения Чена (MIT) ещё в 2018 году: кубический арсенид бора должен обладать высокой подвижностью как электронов, так и дырок, «что делает этот материал действительно уникальным», – как признаёт сам учёный.

Итак, эксперименты показали, что теплопроводность кубического арсенида бора почти в 10 раз выше, чем у кремния, что, как говорит Чен, – «…очень заманчиво как раз для отвода тепла». Прошлые работы также показали, что претендент имеет очень хорошую ширину запрещённой зоны – свойство, которое даёт ему большой потенциал именно в качестве полупроводника.

Новое исследование завершает картину, дополняя её демонстрацией высокой подвижности не только электронов, но и их положительно заряженных аналогов. То есть теперь можно с чистой совестью утверждать, что кубический арсенид бора обладает всеми основными качествами идеального полупроводника. 

«Это важно, потому что, конечно же, в полупроводниках мы имеем как положительные, так и отрицательные заряды в равной степени. Поэтому, если вы строите устройство, вам нужен материал, в котором и электроны, и дырки движутся с меньшим сопротивлением», – поясняет профессор.

Кремний имеет хорошую подвижность электронов, но плохую подвижность дырок, и большинство его «коллег» следует за ним. Например, арсенид галлия, широко используемый в лазерах, также благоволит электронам, но не их оппонентам.

«Нагрев сейчас – основное слабое место многих электронных устройств, – говорит постдок MIT Юнгву Шин, ведущий автор статьи. – Карбид кремния заменяет кремний в силовой электронике в основных отраслях электромобилестроения, включая Tesla, поскольку его теплопроводность в три раза выше, чем у кремния, несмотря на его более низкую электрическую подвижность. Представьте, чего могут достичь арсениды бора со своей в 10 раз более высокой теплопроводностью и гораздо более высокой подвижностью, чем у кремния. Это может изменить правила игры».

Он добавляет: «Важнейшей вехой, которая делает возможным это открытие, являются достижения MIT в области сверхбыстрых лазерных решёток» (те самые, первоначально разработанные Бай Сонгом методы тестирования небольших участков материала). Дело в том, что без этой техники демонстрация высокой подвижности субстанции для обеих составляющих (электронов и «дырок») была бы невозможна.

Электронные свойства кубического арсенида бора первоначально были предсказаны на основе квантовомеханических расчётов функции плотности, сделанных группой профессора Чена, и теперь эти предсказания подтверждены экспериментами, проведёнными в Массачусетском технологическом институте с использованием методов оптического обнаружения на образцах, сделанных Жифэн Реном и другими членами команды Хьюстонского университета.

Изученное соединение по теплопроводности не только обладает лучшими показателями среди полупроводников, но и занимает третье место среди вообще всех материалов – кроме алмаза и кубического нитрида бора, обогащённого изотопами, с ним просто некому тягаться. 

«А сейчас мы предсказали квантовомеханическое поведение электрона и дырки, также исходя из первых принципов, и это также подтвердилось, – говорит Чен. – Это впечатляет, потому что я на самом деле не знаю ни одного другого материала, кроме графена, обладающего всеми этими свойствами».

Сейчас исследователи видят стоящую перед ними задачу в том, чтобы найти способы производства этого кристалла в практически необходимых количествах. Загвоздка в том, что результаты существующих методов получаются очень неоднородными, так что для получения надёжных данных команде пришлось тестировать лишь небольшие локальные участки вещества, отвечавшие условиям достаточной однородности. Вследствие этого, хотя большой потенциал соединения показан, что называется, лицом, профессор Чен признаётся: «где он будет использоваться на самом деле и будет ли – мы не знаем».

«Кремний – это рабочая лошадка всей отрасли, – продолжает он. – Итак, хорошо, у нас есть материал, который лучше, но действительно ли он сможет заместить индустрию? Мы не знаем. [И пусть он кажется почти идеальным кандидатом,] может ли он действительно попасть в устройство и заменить часть существующего рынка, я думаю, это ещё предстоит доказать».

Да, термические и электрические свойства оказались превосходными, но есть ещё и много других, которые тоже обязательно нужно будет проверить. Как пример учёные приводят долговременную стабильность. 

«Чтобы делать устройства, есть много других факторов, о которых мы пока не знаем», – признают они.

Вообще, поскольку свойства материалов – едва ли не самая важная их черта наряду с распространённостью и доступностью к производству, тщательному их изучению нужно уделить наибольшее внимание. Теперь, когда некоторые характеристики арсенида бора стали яснее настолько, что за ним вполне обоснованно можно закрепить звание «лучшего полупроводника», возможно, в научных и инженерных кругах ему будет уделяться куда больше внимания, чем прежде.

Что касается промышленного применения, Рен говорит, что «одной из серьёзных задач будет то, как производить и очищать кубический арсенид бора так же эффективно, как кремний». Он поясняет это заявление напоминанием одно простого, но важного факта: «Кремнию потребовались десятилетия, чтобы завоевать корону, имея чистоту более 99,99999999% – или «10 девяток» – для массового производства сегодня».

Вторя коллеге, профессор Чен упоминает о рыночных реалиях: для того, чтобы что-то стало практически применимым, требуется не только больше людей, изучающих и создающих различные способы изготовления материалов со всё более и более подходящими характеристиками, но и глобальная доступность финансовой поддержки.

Так что вопрос «что бы мы делали без кремния?» – пока остаётся открытым.

АРМК, по материалам MIT.