Ist das der beste Halbleiter, der jemals gefunden wurde?

Silizium ist die Grundlage der Elektronikindustrie. Allerdings lässt seine Leistung als Halbleiter viel zu wünschen übrig. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, dass ein unbekanntes Material namens kubisches Borarsenid (c-BAs) möglicherweise eine viel bessere Leistung als Silizium erbringt. Tatsächlich handelt es sich möglicherweise um den besten Halbleiter, der jemals gefunden wurde, und möglicherweise sogar um den bestmöglichen.

Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. In seiner reinen Form ist Silizium der Schlüssel zu vielen modernen Technologien, von Mikrochips bis hin zu Solarzellen. Allerdings sind seine Eigenschaften als Halbleiter alles andere als ideal.

„Wir haben zum ersten Mal ein neues Material mit hoher Trägermobilität und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit demonstriert.“ – Zhifeng Ren, University of Houston

Zum einen ist Silizium nicht besonders gut darin, Wärme zu leiten. Daher kommt es bei Computern häufig zu Überhitzung und teuren Kühlsystemen. Darüber hinaus lässt Silizium zwar problemlos Elektronen durch seine Struktur strömen, reagiert aber weitaus weniger auf die positiv geladenen Abwesenheiten von Elektronen, sogenannte Löcher. Diese Schwächen verringern die Gesamteffizienz von Silizium als Halbleiter. (Um fair zu sein, bieten die meisten Halbleiter eine hohe Mobilität nur für Elektronen oder Löcher.)

Im Jahr 2018 ergaben Experimente, dass c-BAs – ein Kristall aus Bor und Arsen, zwei relativ häufig vorkommenden Mineralelementen – Wärme fast zehnmal besser leitet als Silizium. Dies ist die bekannteste Wärmeleitfähigkeit aller Halbleiter und die drittbeste bekannte Wärmeleitfähigkeit aller Materialien nach Diamant und isotopenangereichertem kubischem Bornitrid.

Darüber hinaus deuten theoretische Vorhersagen darauf hin, dass c-BAs auch eine sehr hohe Mobilität sowohl für Elektronen als auch für Löcher besitzen würden. Nun bestätigen Experimente in zwei Studien in der Zeitschrift Science vom 22. Juli die hohe Elektronen- und Lochmobilität von kubischem Borarsenid.

„Wir haben zum ersten Mal ein neues Material mit hoher Ladungsträgermobilität und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit demonstriert“, sagt Zhifeng Ren, Physiker und Materialwissenschaftler an der University of Houston und Mitautor beider Studien. „Die Ergebnisse weisen auf eine neue Richtung für Halbleiter hin, die die Halbleiterindustrie in naher Zukunft revolutionieren könnte.“

Die Analyse der Elektronen- und Lochmobilität in c-BAs war eine Herausforderung, da die Kristalle, über die die Forscher verfügten, klein waren. Darüber hinaus waren die Kristalle mit Verunreinigungen durchsetzt, die die Elektronen und Löcher streuten. Durch die Untersuchung der Kristalle mit Laserpulsen stellte das Wissenschaftlerteam (von der University of Houston sowie dem MIT, der University of Texas at Austin und dem Boston College) fest, dass Elektronen und Elektronenlöcher an Stellen im Gitter mit der höchsten Mobilität aufwiesen geringste Verunreinigungen.

Die Elektronen- und Lochmobilität wird in der Einheit Quadratzentimeter pro Voltsekunde (cm2/V·s) gemessen. Silizium hat bei Raumtemperatur eine Elektronenmobilität von 1.400 cm2/V·s und eine Lochmobilität von 450 cm2/V·s. Im Gegensatz dazu haben c-BAs den neuen Erkenntnissen zufolge eine Mobilität von 1.600 cm2/V·s für Elektronen und Löcher, die sich bei Raumtemperatur gemeinsam bewegen.

Darüber hinaus ergab eine der beiden neuen Studien in Science, dass die Elektronenmobilität in c-BAs bis zu 3.000 cm2/V·s erreichen könnte. Diese Leistung könnte auf „heiße Elektronen“ zurückzuführen sein, die die von Laserpulsen zur Anregung der Ladungsträger erzeugte Energie länger bewahren als in den meisten anderen Materialien.

Bisher haben Wissenschaftler c-BAs nur in kleinen Chargen im Labormaßstab hergestellt, die nicht einheitlich sind. Dennoch hält Ren es für sehr wahrscheinlich, dass es auf praktische und wirtschaftliche Weise hergestellt werden kann, da Bor, Arsen und die Kristallherstellungstechnik allesamt kostengünstig sind. Er sagt, dass zur Aufrechterhaltung der Qualitätskontrolle die Kristalle nur dann auf viel größere Größen skaliert werden dürfen, „wenn der Wachstumsprozess vollständig verstanden ist“.

Darüber hinaus, sagt Ren, „war meine Gruppe immer davon überzeugt, dass eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Mobilität erreicht werden sollten, wenn die Kristallqualität weiter verbessert wird. Daher besteht das kurzfristige Ziel darin, ihr Wachstum für Kristalle höherer Qualität zu verbessern.“