これはこれまでに発見された最高の半導体ですか?

シリコンはエレクトロニクス産業の基盤です。 しかし、半導体としての性能にはまだ不十分な点が多く残されています。 今回科学者たちは、立方晶砒素ホウ素 (c-BA) として知られる未知の材料がシリコンよりもはるかに優れた性能を発揮する可能性があることを発見しました。 実際、これはこれまでに発見された中で最高の半導体である可能性があり、潜在的には可能な限り最高の半導体ですらあります。

ケイ素は地球上で最も豊富な元素の 1 つです。 シリコンは、純粋な形で、マイクロチップから太陽電池に至るまで、多くの現代技術の鍵となります。 しかし、半導体としての特性は理想とは程遠いです。

「私たちは、キャリア移動度が高く、同時に熱伝導率も高い新材料を初めて実証しました。」—Zhifeng Ren、ヒューストン大学

まず、シリコンは熱伝導があまり良くありません。 そのため、コンピューターでは過熱と高価な冷却システムが一般的です。 さらに、シリコンはその構造内を電子が容易に通過することができますが、正孔として知られる正に帯電した電子が存在しないことによる影響はそれほど受けません。 これらの弱点により、半導体としてのシリコンの全体的な効率が低下します。 (公平を期すために言うと、ほとんどの半導体は電子または正孔のいずれかに対してのみ高い移動度を提供します。)

2018年の実験では、比較的一般的な2つの鉱物元素であるホウ素とヒ素から成長した結晶であるc-BAが、シリコンの10倍近く熱を伝導することが明らかになった。 これは、あらゆる半導体の中で最もよく知られている熱伝導率であり、あらゆる材料の中でダイヤモンドおよび同位体濃縮立方晶窒化ホウ素に次いで 3 番目によく知られている熱伝導率です。

さらに、理論的予測では、c-BA は電子と正孔の両方に対して非常に高い移動度も持つことが示唆されました。 さて、サイエンス誌の 7 月 22 日号に掲載された 2 つの研究では、立方晶砒素ホウ素の電子および正孔の高い移動度が実験によって確認されています。

「私たちは、キャリア移動度が高く、同時に熱伝導率も高い新材料を初めて実証しました」と、ヒューストン大学の物理学者兼材料科学者であり、両方の研究の共著者である Zhifeng Ren 氏は述べています。 「この調査結果は、近い将来半導体業界に革命を起こす可能性のある半導体の新たな方向性を示しています。」

研究者が持っていた結晶が小さかったため、c-BA の電子および正孔の移動度を分析することは困難でした。 さらに、結晶には電子と正孔を散乱させる不純物がたくさん含まれていました。 レーザーパルスで結晶を調べることにより、科学者チーム（ヒューストン大学、MIT、テキサス大学オースティン校、ボストンカレッジ）は、格子上の位置で電子と正孔の移動度が最も高いことを発見しました。不純物が最も少ない。

電子および正孔の移動度は、平方センチメートル/ボルト秒 (cm2/V・s) の単位で測定されます。 シリコンの室温における電子移動度は 1,400 cm2/V・s、正孔移動度は 450 cm2/V・s です。 対照的に、新しい発見によると、c-BA は室温で電子と正孔の両方が一緒に移動する移動度 1,600 cm2/V・s を持っています。

さらに、Science誌に掲載された2つの新しい研究のうちの1つでは、c-BAの電子移動度が3,000 cm2/V・sにも達する可能性があることを発見しました。 この偉業は、電荷キャリアを励起するために使用されるレーザーパルスによって生成されたエネルギーを、他のほとんどの材料よりも長く保存する「ホットエレクトロン」によるものである可能性があります。

これまで科学者は、均一ではない実験室規模の小規模なバッチでのみ c-BA を作成してきました。 それでもレン氏は、ホウ素、ヒ素、結晶製造技術はいずれも安価であるため、実用的かつ経済的な方法で製造できる可能性が非常に高いと考えている。 同氏は、品質管理を維持するために、「成長プロセスが完全に理解された場合」にのみ結晶をさらに大きなサイズに拡大する可能性があると述べた。

さらに、レン氏は、「私のグループは、結晶の品質がさらに改善されれば、さらに高い熱伝導率とより高い移動度が達成されるはずだと常に信じてきました。そのため、短期的な目標は、より高品質な結晶の成長を改善することです。」と述べています。