Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde, und in seiner reinen Form ist das Material zur Grundlage eines Großteils der modernen Technologie geworden, von Solarzellen bis zu Computerchips. Aber die Eigenschaften von Silizium als Halbleiter sind alles andere als ideal.
Zum einen lässt Silizium zwar Elektronen problemlos durch seine Struktur flitzen, ist aber weit weniger aufnahmefähig für „Löcher“ - die positiv geladenen Gegenstücke der Elektronen - und die Nutzung beider ist für einige Arten von Chips wichtig. Außerdem leitet Silizium Wärme nicht besonders gut ab, weshalb es in Computern häufig zu Überhitzungsproblemen und teuren Kühlsystemen kommt.
Das beste Halbleitermaterial, das bisher gefunden wurde
Nun hat ein Team von Forschern des MIT, der University of Houston und anderer Einrichtungen Experimente durchgeführt, die zeigen, dass ein als kubisches Borarsenid bekanntes Material diese beiden Einschränkungen überwindet. Es bietet sowohl für Elektronen als auch für Löcher eine hohe Mobilität und verfügt über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Den Forschern zufolge handelt es sich um das beste Halbleitermaterial, das je gefunden wurde, und vielleicht sogar um das bestmögliche.
Bislang wurde kubisches Borarsenid nur in kleinen, uneinheitlichen Chargen im Labormaßstab hergestellt und getestet. Die Forscher mussten spezielle Methoden anwenden, die ursprünglich von dem ehemaligen MIT-Postdoc Bai Song entwickelt wurden, um kleine Bereiche innerhalb des Materials zu testen. Es wird noch mehr Arbeit nötig sein, um festzustellen, ob kubisches Borarsenid in einer praktischen, wirtschaftlichen Form hergestellt werden kann, geschweige denn das allgegenwärtige Silizium ersetzen kann. Aber selbst in naher Zukunft könnte das Material einige Anwendungen finden, bei denen seine einzigartigen Eigenschaften einen bedeutenden Unterschied machen würden, so die Forscher.
Sehr hohe Mobilität für Elektronen und Löhe
Frühere Forschungsarbeiten, darunter auch die von David Broido, einem Mitautor der neuen Arbeit, hatten theoretisch eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials vorhergesagt; spätere Arbeiten haben diese Vorhersage experimentell bestätigt. Die jüngste Arbeit vervollständigt die Analyse, indem sie eine Vorhersage von Chens Gruppe aus dem Jahr 2018 experimentell bestätigt: dass kubisches Borarsenid auch eine sehr hohe Mobilität für Elektronen und Löcher aufweisen würde, „was dieses Material wirklich einzigartig macht“, sagt Chen.
Die neue Arbeit vervollständigt nun das Bild und zeigt, dass Borarsenid mit seiner hohen Mobilität für Elektronen und Löcher alle wichtigen Eigenschaften eines idealen Halbleiters besitzt. „Das ist wichtig, denn in Halbleitern haben wir natürlich sowohl positive als auch negative Ladungen, die gleichwertig sind. Wenn man also ein Gerät baut, möchte man ein Material haben, in dem sich sowohl Elektronen als auch Löcher mit weniger Widerstand bewegen“, sagt Chen.
Silizium hat eine gute Elektronenbeweglichkeit, aber eine schlechte Lochbeweglichkeit, und andere Materialien wie Galliumarsenid, das häufig für Laser verwendet wird, haben ebenfalls eine gute Beweglichkeit für Elektronen, aber nicht für Löcher.
„Wärme ist heute ein wichtiger Engpass für viele elektronische Geräte“, sagt Shin, der Hauptautor der Studie. „Siliziumkarbid ersetzt Silizium für die Leistungselektronik in großen EV-Industrien wie Tesla, da es trotz seiner geringeren elektrischen Mobilität eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium aufweist. Stellen Sie sich vor, was Borarsenide mit einer zehnmal höheren Wärmeleitfähigkeit und einer viel höheren Mobilität als Silizium erreichen können. Das kann ein Wendepunkt sein.“
Shin fügt hinzu: „Der entscheidende Meilenstein, der diese Entdeckung möglich gemacht hat, sind die Fortschritte bei den ultraschnellen Lasergittersystemen am MIT“, die ursprünglich von Song entwickelt wurden. Ohne diese Technik, wäre es nicht möglich gewesen, die hohe Mobilität des Materials für Elektronen und Löcher nachzuweisen.
Nachweislich die beste Wärmeleitfähigkeit
Die elektronischen Eigenschaften von kubischem Borarsenid wurden ursprünglich auf der Grundlage quantenmechanischer Dichtefunktionsberechnungen von Chens Gruppe vorhergesagt und diese Vorhersagen wurden nun durch Experimente am MIT bestätigt, bei denen optische Nachweismethoden an Proben verwendet wurden, die von Ren und Mitgliedern des Teams an der Universität Houston hergestellt wurden.
Das Material hat nicht nur die beste Wärmeleitfähigkeit aller Halbleiter, sondern auch die drittbeste - nach Diamant und isotopisch angereichertem kubischem Bornitrid – aller Materialien. „Und jetzt haben wir das quantenmechanische Verhalten von Elektronen und Löchern vorhergesagt, ebenfalls nach ersten Prinzipien, und auch das hat sich bewahrheitet“, sagt Chen. „Das ist beeindruckend, denn ich kenne außer Graphen kein anderes Material, das all diese Eigenschaften hat“, fügt er hinzu. „Und dies ist ein Massenmaterial, das diese Eigenschaften hat.“
Suche nach dem richtigen Herstellungsverfahren
Die Herausforderung besteht nun darin, praktische Wege zu finden, um dieses Material in brauchbaren Mengen herzustellen. Die derzeitigen Herstellungsverfahren führen zu sehr ungleichmäßigem Material, sodass das Team Wege finden musste nur kleine lokale Bereiche des Materials zu testen, die einheitlich genug waren, um zuverlässige Daten zu liefern. Sie haben zwar das große Potenzial dieses Materials bewiesen, aber ob und wo es tatsächlich eingesetzt wird, wissen die Forschenden noch nicht.
„Silizium ist das Arbeitspferd der gesamten Industrie“, sagt Chen. „Wir haben also ein besseres Material, aber wird es die Industrie tatsächlich entlasten? Wir wissen es nicht.“ Das Material scheint zwar ein nahezu idealer Halbleiter zu sein, aber ob es tatsächlich in einem Gerät eingesetzt werden und einen Teil des derzeitigen Marktes ersetzen kann, muss erst noch bewiesen werden.
„Und während die thermischen und elektrischen Eigenschaften nachweislich hervorragend sind, gibt es viele andere Eigenschaften eines Materials, die noch getestet werden müssen, wie etwa seine Langzeitstabilität“, sagt Chen. Für die Herstellung von Geräten gibt es viele andere Faktoren, die wir noch nicht kennen.“
Er fügt hinzu: „Das könnte wirklich wichtig sein und die Leute haben diesem Material noch nicht einmal wirklich Aufmerksamkeit geschenkt.“ Jetzt, da die wünschenswerten Eigenschaften von Borarsenid deutlicher geworden sind und das Material „in vielerlei Hinsicht der beste Halbleiter“ ist, wird diesem Material vielleicht mehr Aufmerksamkeit geschenkt.
Für die kommerzielle Nutzung, so Shin, „wäre es eine große Herausforderung, kubisches Borarsenid genauso effektiv wie Silizium herzustellen und zu reinigen. ... Silizium hat Jahrzehnte gebraucht, um die Krone zu gewinnen, mit einer Reinheit von über 99,99 Prozent für die Massenproduktion heute."
Um auf dem Markt praktikabel zu werden, so Chen, „müssen mehr Menschen verschiedene Möglichkeiten entwickeln, um bessere Materialien herzustellen und zu charakterisieren. Ob die notwendigen Mittel für eine solche Entwicklung zur Verfügung stehen werden, bleibt abzuwarten,“ sagt er.
