Der beste Halbleiter von allen?

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Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und in seiner reinen Form ist das Material die Grundlage für einen Großteil der modernen Technologie, von Solarzellen bis hin zu Computerchips. Doch die Eigenschaften von Silizium als Halbleiter sind alles andere als ideal.

Einerseits lässt Silizium zwar Elektronen leicht durch seine Struktur sausen, es ist jedoch viel weniger aufnahmefähig für „Löcher“ – die positiv geladenen Gegenstücke der Elektronen – und die Nutzung beider ist für einige Arten von Chips wichtig. Darüber hinaus leitet Silizium die Wärme nicht besonders gut, weshalb es bei Computern häufig zu Überhitzungsproblemen und teuren Kühlsystemen kommt.

Jetzt hat ein Forscherteam am MIT, der University of Houston und anderen Institutionen Experimente durchgeführt, die zeigen, dass ein Material namens kubisches Borarsenid diese beiden Einschränkungen überwindet. Es bietet sowohl Elektronen als auch Löchern eine hohe Mobilität und verfügt über eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Den Forschern zufolge ist es das beste Halbleitermaterial, das je gefunden wurde, und vielleicht sogar das bestmögliche.

Bisher wurde kubisches Borarsenid nur in kleinen, uneinheitlichen Chargen im Labormaßstab hergestellt und getestet. Um kleine Bereiche innerhalb des Materials zu testen, mussten die Forscher spezielle Methoden anwenden, die ursprünglich vom ehemaligen MIT-Postdoc Bai Song entwickelt wurden. 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 auch in naher Zukunft könnte das Material einige Anwendungen finden, bei denen seine einzigartigen Eigenschaften einen erheblichen Unterschied machen würden, sagen die Forscher.

Die Ergebnisse werden heute in der Zeitschrift Science in einem Artikel von MIT-Postdoc Jungwoo Shin und MIT-Professor für Maschinenbau Gang Chen veröffentlicht; Zhifeng Ren an der University of Houston; und 14 weitere am MIT, der University of Houston, der University of Texas at Austin und dem Boston College.

Frühere Untersuchungen, darunter Arbeiten von David Broido, einem Mitautor der neuen Arbeit, hatten theoretisch vorhergesagt, dass das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben würde; Nachfolgende Arbeiten bewiesen diese Vorhersage experimentell. Diese neueste 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 sowohl für Elektronen als auch für Löcher aufweisen würde, „was dieses Material wirklich einzigartig macht“, sagt Chen.

Die früheren Experimente zeigten, dass die Wärmeleitfähigkeit von kubischem Borarsenid fast zehnmal höher ist als die von Silizium. „Das ist also allein wegen der Wärmeableitung sehr attraktiv“, sagt Chen. Sie zeigten auch, dass das Material eine sehr gute Bandlücke aufweist, eine Eigenschaft, die ihm großes Potenzial als Halbleitermaterial verleiht.

Nun ergänzt die neue Arbeit das Bild und zeigt, dass Borarsenid mit seiner hohen Mobilität sowohl für Elektronen als auch für Löcher alle wesentlichen Eigenschaften besitzt, die für einen idealen Halbleiter erforderlich sind. „Das ist wichtig, denn natürlich haben wir in Halbleitern gleichermaßen positive und negative Ladungen. Wenn Sie also ein Gerät bauen, möchten Sie ein Material haben, in dem sich sowohl Elektronen als auch Löcher mit weniger Widerstand bewegen“, sagt Chen.

Silizium hat eine gute Elektronenmobilität, aber eine schlechte Lochmobilität, und andere Materialien wie Galliumarsenid, das häufig für Laser verwendet wird, haben ebenfalls eine gute Elektronenmobilität, aber keine Lochmobilität.

„Hitze ist heute ein großer Engpass für viele elektronische Geräte“, sagt Shin, der Hauptautor der Studie. „Siliziumkarbid ersetzt Silizium für die Leistungselektronik in großen Elektrofahrzeugindustrien, darunter Tesla, da es trotz seiner geringeren elektrischen Mobilität eine dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium aufweist. Stellen Sie sich vor, was Borarsenide erreichen können: eine zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit und eine viel höhere Mobilität als Silizium. Es kann ein Gamechanger sein.“

Shin fügt hinzu: „Der entscheidende Meilenstein, der diese Entdeckung ermöglicht, sind Fortschritte bei ultraschnellen Lasergittersystemen am MIT“, die ursprünglich von Song entwickelt wurden. Ohne diese Technik wäre es nicht möglich gewesen, die hohe Beweglichkeit des Materials für Elektronen und Löcher nachzuweisen.

Die elektronischen Eigenschaften von kubischem Borarsenid seien ursprünglich auf der Grundlage quantenmechanischer Dichtefunktionsberechnungen von Chens Gruppe vorhergesagt worden, sagt er, und diese Vorhersagen seien nun durch am MIT durchgeführte Experimente validiert worden, bei denen optische Nachweismethoden an Proben von Ren und Mitgliedern des MIT zum Einsatz kamen das Team der University of Houston.

Die Forscher sagen, dass das Material nicht nur die beste Wärmeleitfähigkeit aller Halbleiter hat, sondern auch die drittbeste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien – neben Diamant und isotopenangereichertem kubischem Bornitrid. „Und jetzt haben wir das quantenmechanische Verhalten von Elektronen und Löchern ebenfalls anhand erster Prinzipien vorhergesagt, und das hat sich auch als wahr erwiesen“, sagt Chen.

„Das ist beeindruckend, denn ich kenne eigentlich kein anderes Material außer Graphen, das all diese Eigenschaften hat“, sagt er. „Und das ist ein Schüttgut, das diese Eigenschaften hat.“

Die Herausforderung bestehe nun darin, praktische Möglichkeiten zu finden, dieses Material in brauchbaren Mengen herzustellen. Die derzeitigen Herstellungsverfahren produzieren sehr uneinheitliches Material, daher musste das Team Möglichkeiten finden, nur kleine lokale Bereiche des Materials zu testen, die gleichmäßig genug waren, um zuverlässige Daten zu liefern. Sie haben zwar das große Potenzial dieses Materials aufgezeigt, „ob und wo es tatsächlich eingesetzt wird, wissen wir jedoch nicht“, sagt Chen.

„Silizium ist das Arbeitstier der gesamten Branche“, sagt Chen. „Okay, wir haben ein besseres Material, aber wird es tatsächlich einen Ausgleich für die Branche schaffen? Wir wissen es nicht.“ Während das Material nahezu ein idealer Halbleiter zu sein scheint, „muss meiner Meinung nach noch bewiesen werden, ob es tatsächlich in ein Gerät gelangen und einen Teil des aktuellen Marktes ersetzen kann.“

Und während sich die thermischen und elektrischen Eigenschaften als ausgezeichnet erwiesen haben, gibt es viele andere Eigenschaften eines Materials, die noch getestet werden müssen, wie etwa seine Langzeitstabilität, sagt Chen. „Bei der Herstellung von Geräten gibt es viele andere Faktoren, die wir noch nicht kennen.“

Er fügt hinzu: „Das könnte möglicherweise wirklich wichtig sein, und die Leute haben diesem Material noch nicht einmal wirklich Aufmerksamkeit geschenkt.“ Jetzt, da die wünschenswerten Eigenschaften von Borarsenid klarer geworden sind, was darauf hindeutet, dass das Material „in vielerlei Hinsicht der beste Halbleiter“ ist, „wird diesem Material vielleicht mehr Aufmerksamkeit geschenkt.“

Für kommerzielle Zwecke, sagt Shin, „wäre eine große Herausforderung darin, kubisches Borarsenid genauso effektiv herzustellen und zu reinigen wie Silizium.“ … Silizium brauchte Jahrzehnte, um sich die Krone zu erobern, da es heute eine Reinheit von über 99,99999999 Prozent oder „10 Neunen“ für die Massenproduktion aufweist.“

Damit es auf dem Markt praktikabel wird, sagt Chen, „bedarf es wirklich mehr Menschen, die verschiedene Wege entwickeln, um bessere Materialien herzustellen und sie zu charakterisieren.“ Ob die notwendigen Mittel für eine solche Entwicklung zur Verfügung stehen, bleibe abzuwarten, sagt er.

Die Forschung wurde vom US Office of Naval Research unterstützt und nutzte Einrichtungen der MRSEC Shared Experimental Facilities des MIT, unterstützt von der National Science Foundation.

Physics World hat zwei Forschungsfortschritte von MIT-Forschern in seine Liste der Top 10 Durchbrüche des Jahres aufgenommen. Prof. Gang Chen und seine Kollegen wurden für ihre Arbeit ausgewählt, „die zeigt, dass kubisches Borarsenid einer der besten Halbleiter ist, die die Wissenschaft kennt“. Prof. Asegun Henry, die Doktorandin Alina LaPotin und ihre Kollegen wurden für „den Bau einer thermophotovoltaischen (TPV)-Zelle mit einem Wirkungsgrad von mehr als 40 %“ nominiert.

NBC News-Reporter Kimmy Yam weist darauf hin, dass Prof. Gang Chen und seine Kollegen Monate nach der Abweisung aller Anklagen, mit denen er im Rahmen der „China-Initiative“ konfrontiert wurde, ein neues Material entdeckt haben, das eine bessere Leistung als Silizium erbringen kann. „Die Entdeckung könnte weitreichende Auswirkungen haben, da Silizium derzeit zu den am häufigsten verwendeten Halbleitern gehört und die Grundlage moderner Technologie von Computerchips bis hin zu Smartphones bildet“, schreibt Yam.

Forscher am MIT glauben, einen neuen Halbleiter gefunden zu haben, der besser ist als Silizium und der in Zukunft die Türen zu möglicherweise schnelleren und kleineren Computerchips öffnen könnte, berichtet Rachel Cheung für Vice. „Kubisches Borarsenid weist sowohl in der Elektronik als auch in ihren positiv geladenen Gegenstücken eine deutlich höhere Mobilität auf als Silizium, der allgegenwärtige Halbleiter, der in Elektronik und Computern verwendet wird“, erklärt Cheung.

Forscher am MIT und anderen Institutionen haben bewiesen, „dass kubisches Borarsenid beim Leiten von Wärme und Elektrizität besser abschneidet als Silizium“, berichtet Nicholas Gordon für Fortune. „Das neue Material kann Designern dabei helfen, die natürlichen Grenzen aktueller Modelle zu überwinden und bessere, schnellere und kleinere Chips herzustellen“, schreibt Gordon.

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