硅作为目前应用最广泛的半导体材料，经过科研和业界几十年的不断研发与努力，达到芯片制造所需要的 99.99999999% 纯度。与此同时，随着芯片小型化发展，硅的短板与市场需求的矛盾也日益突出，例如传导热量性能不佳、空穴迁移率不够高等。
科学家一直在探索半导体新材料，例如砷化镓、氮化镓、碳化硅、金刚石、氧化锌、氮化铝等。前不久，国家纳米科学中心与休斯顿大学团队验证了一种比硅导电导热性能更佳、甚至有望替代硅的材料——立方砷化硼（c-BAs）。他们首次实验确认了立方砷化硼的高载流子迁移率 1550cm2 V−1 s−1，其结果和理论预测值一致。
“从业界角度来看，芯片的散热问题严重阻碍了其运算速度，立方砷化硼首次从实验上被证实同时具有高的载流子迁移率和热导率，所以有望利用该材料缓解当前芯片散热的瓶颈问题。”国家纳米科学中心研究员刘新风表示。
近日， 相关论文以《瞬态反射显微成像测定立方砷化硼的高双极性迁移率》（High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy）为题发表在 Science 上[1]。
休斯顿大学和电子科技大学联合博士后岳帅（现国家纳米科学中心副研究员）、休斯顿大学田非博士（现中山大学教授）为该论文共同第一作者，国家纳米科学中心刘新风研究员、休斯顿大学电气与计算机工程系包吉明教授和物理系任志锋教授为该论文共同通讯作者。
▲图丨相关论文（来源：Science）
此外，麻省理工学院陈刚团队与休斯顿大学任志锋团队的另一篇关于立方砷化硼的论文《立方砷化硼中的高双极性迁移率》（High ambipolar mobility in cubic boron arsenide）也在 Science 同日发布[2]。
合成砷化硼无需高温高压，并兼具高载流子迁移率和高热导率
一直以来，科学家寻找各向同性热导率高材料的道路上充满了挑战，而寻找同时兼具高热导率、高载流子迁移率的材料则难上加难。举例来说，金刚石在室温下的热导率在 2200 W m−1 K−1 以上，其次常见的是铜、银、金等，在室温下各向同性的热导率在400 W m−1 K−1 左右。
最近发现氮化硼（10BN 或 11BN）在室温下的热导率约为 1600 W m−1 K−1，BN 的热导率低于 1000 W m−1 K−1，但其高温高压合成的难度与金刚石一样，无法大规模制造。
任志锋表示，“在该研究中，立方砷化硼室温下约 1300 W m−1 K−1 的高热导率的理论发现和实验证实令人震惊和激动。因为该材料的合成不需要高温高压，这使得其在大尺寸制造可满足工业需求。更令人兴奋的是，这种材料还具有非常高的载流子迁移率。”
▲图丨部分常见半导体材料性能对比（来源：任志锋）
此外，砷化硼的带隙远大于硅和砷化镓（GaAs），使其更适用于大功率电子产品。包括热膨胀系数在内的详细物理特性（如上图所示）。任志锋认为，砷化硼被证明具有优异的物理性能，其挑战体现在以下五个方面：
如何生长出高质量、均匀的立方砷化硼单晶；第二，砷化硼是否有可能实现热导率和载流子迁移率分别达到 1300W m−1 K−1 和 1600cm2 V−1 s−1；第三，如果确实获得了更高的值，如何通过新的理论来解释这种差异；第四，是否有可能使用新理论预测更高电导率和载流子迁移率的材料；第五，如何使用晶体实现一些令人兴奋的应用。
▲图丨任志锋（来源：任志锋）
该团队的实验研究是任志锋教授从波士顿学院物理系教授大卫·布罗多（David Broido）得知理论预测后，自 2013 年开始的。首先，理论预测是一次大胆的尝试，因为在以往的研究中，没有人认为砷化硼可具备高导热率。
但大卫·布罗多没有被传统概念所束缚，而是大胆地预测了其高导热率。“对于这样异常高的导热系数，我马上就产生了兴趣。我们很幸运，成功地培育出砷化硼单晶来证明这一理论。”任志锋说。
该团队认为，研究中最具挑战性的问题是高质量地生长高达毫米尺寸的砷化硼单晶。因为硼的熔点为 2076℃，而砷没有熔点，但在 615℃ 时会升华。而且砷毒性很大，砷化硼会在大约 920℃ 分解，这使得晶体生长极其困难。