替代硅的新型半导体材料

电子发烧友网报道（文/周凯扬）在如今的半导体行业中，散热几乎可以说是除PPA（功耗、性能和面积）外最不能忽视一环。就拿移动SoC为例，芯片过热降频的问题影响着市面任何一款智能手机。但要想极大改善半导体本身的散热性能，几乎都得从材料上入手，这也就意味着我们必须推翻硅在数十年来建立的稳固地位。而在最近的一期《科学》杂志中，同时出现了两篇立方砷化硼的论文，描述了这种新式材料替代硅的可能性。

极佳的导热性能正如开头所说，热量已经成了半导体进一步提高性能并在各种场景中投入使用的瓶颈，所以大家纷纷开始研制具有高导热系数的半导体材料，也正因如此，导热系数可达500W/mK的碳化硅才开始逐渐进入汽车、航天市场，因为其导热系数是传统硅材料的三倍以上。

早在2018年，研究人员发现这种砷化硼材料可能具备更高的导热系数，通过对体单晶砷化硼的测试，其局部室温导热系数最高可以超过1000W/mK，平均值大概在900W/mK左右。在后续的研究中，研究人员发现如果选用立方砷化硼这种结构的话，可以做到1200W/mK的导热系数，接近硅材料的十倍，也是碳化硅、铜等材料的三倍左右。

高载流子迁移率单单只是热导率高并没有什么，还有一项重要的参数，那就是载流子迁移率（电子迁移率和空穴迁移率），这也是两篇论文研究的重点。更高的载流子迁移率意味着半导体的逻辑运算速度更快，这样在高密度的半导体芯片下可以实现更高的性能，正是因为碳化硅、氮化镓等材料在电子迁移率和空穴迁移率上比不上硅，所以并没有被广泛用于逻辑芯片的制造中，主要还是用于功率半导体。

在麻省理工学院陈刚院士团队和休斯敦大学任志峰教授团队发表的论文中，他们用到了MIT开发的新技术瞬态光栅光谱，利用这种超快的激光光栅系统，可以同时测量材料的电性能与热性能。而另一篇论文由国家纳米中心刘新风研究团队联合美国休斯敦大学包吉明团队和任志锋团队发表，他们搭建了一套“超快载流子扩散显微成像系统”，来进行实时原位观测。

这两篇论文得出立方砷化硼的迁移率都在1600cm2/Vs左右，这个参数比硅高出14%左右，也超过了碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料，不过与砷化镓这种标榜超高电子迁移率的材料相比还是有着不小差距。话虽如此，更优的导电性能+导热性能，这不已经为替代硅材料起了个好头了？

性能或许已经达标，但制备量产才是难题我们在之前的文章中已经提到过，硅作为最为丰富的元素之一，几乎四处可寻，但要想做到作为半导体材料，也得用到5N以上的高纯石英砂。目前来看，立方砷化硼在储备上不足以与硅相抗衡，提纯制备且不说只是停留在实验室规模，还会遇上不少挑战。比如电离杂质会导致载流子迁移率的降低，中性杂质也会降低导热率。不仅如此，立方砷化硼要想替代硅的霸主地位，除了迁移率和导热率之外，其他的材料性能也必须做到足够优异，比如长期稳定性等。

此外，在光电应用崛起的当下，目前三五族半导体，比如砷化镓、氮化镓和氮化硼等材料，都开始在高效太阳能电池、固态照明和高功率、高速晶体管中得到应用，而立方砷化硼的光学参数依然有待探索。2020年也有相关的研究论文对立方砷化硼的光学特性进行分析，包括在紫外光、可见光和近红外波长范围下的复介电函数、折射率和吸收系数等等，只有知道了这些参数以后，利用该材料进行光电设计才能有个参照。

结语尽管立方砷化硼在导热性能和迁移率上给到了不错的前景，但离正式投入商用还有很长的一条路要走。目前立方砷化硼最大的优势还是在导热性能上，未来很可能会在一些对热要求更高的半导体场景中使用，甚至是作为传统硅基半导体的导热介质等等。　　

      审核编辑：彭静