Forschung Besser als Silizium: MIT entdeckt bahnbrechenden Halbleiter

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Forscher vom MIT, der Universität von Houston und weiteren Instituten haben erstaunliche Eigenschaften eines neuartigen Halbleitermaterials nachgewiesen: Kubisches Borarsenid hat demnach eine zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium – bei gleichzeitig hoher Mobilität von Elektrononen und Löchern. Jetzt geht es darum, einen wirtschaftlichen Weg für die Herstellung zu finden.

Silizium kommt häufig auf der Erde vor und ist in seiner reinen Form als Halbleitermaterial zur Grundlage eines Großteils der modernen Technologie geworden, wie etwa mikroelektronische Computerchips und Solarzellen. Die Eigenschaften von Silizium als Halbleiter sind allerdings weit entfernt von ideal.

Die Forscher haben durch Experimente die positiven Eigenschaften von kubischem Borarsenid nachgewiesen, das die Einschränkungen von Silizium überwindet. Es soll nicht nur eine hohe Mobilität für Elektronen und Löcher bieten, sondern auch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Den Forschern zufolge handelt es sich um das beste Halbleitermaterial, das bisher gefunden wurde. Kubisches Borarsenid besitzt eine zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium.

Die Ergebnisse der Studie wurden am 21. Juli 2022 in der Fachzeitschrift Scienceveröffentlicht. Beteiligt sind MIT-Postdoktorand Jungwoo Shin und MIT-Maschinenbauprofessor Gang Chen, Zhifeng Ren von der University of Houston sowie 14 weitere Forscher des MIT, der University of Houston, der University of Texas in Austin und des Boston College.

Die Studie vervollständigt nun das Bild und zeigt, dass Borarsenid mit seiner hohen Mobilität für Elektronen und Löcher alle wichtigen Eigenschaften eines idealen Halbleiters aufweist. „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.

Besser als Silizium

"Wärme ist heute ein großer Engpass für viele elektronische Geräte", sagt Shin, der Hauptautor der Studie. „Siliziumkarbid ersetzt Silizium in der Leistungselektronik in großen EV-Industrien wie Tesla, da es trotz seiner geringeren elektrischen Beweglichkeit 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 Gamechanger sein.“

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

Der beste Halbleiter von allen?

Die Forscher sagen, dass das Material nicht nur die beste Wärmeleitfähigkeit aller Halbleiter hat, sondern auch die drittbeste – nach Diamant und isotopisch angereichertem kubischem Bornitrid. "Und jetzt haben wir das quantenmechanische Verhalten von Elektronen und Löchern vorhergesagt, ebenfalls nach ersten Prinzipien, und das hat sich auch bewahrheitet", sagt Chen.

"Das ist beeindruckend, denn ich kenne außer Graphen kein anderes Material, das all diese Eigenschaften hat“, sagt er. "Und dies ist ein Massenmaterial, das diese Eigenschaften hat."

Bisher konnte kubisches Borarsenid nur in kleinen Chargen unter Laborbedingungen hergestellt und getestet werden. Es wurden spezielle Methoden entwickelt, um kleine Bereiche innerhalb des Materials zu testen. Ob das Material in einer praktischen und wirtschaftlichen Form hergestellt werden kann, muss noch durch weitere Arbeit erforscht werden. Auch wenn es nicht klappen sollte, Silizium vollumfänglich zu ersetzen, könnte das Material trotzdem dank seiner einzigartigen Eigenschaften in besonderen Bereichen Anwendung finden.

Originalpublikation: Jungwoo Shin, Geethal Amila Gamage, Zhiwei Ding, Ke Chen, Fei Tian, Xin Qian, Jiawei Zhou, Hwijong Lee, Jianshi Zhou, Li Shi, Thanh Nguyen, Fei Han, Mingda Li, David Broido, Aaron Schmidt, Zhifeng Ren and Gang Chen: High ambipolar mobility in cubic boron arsenide, Science, 21 Jul 2022, Vol 377, Issue 6604, pp. 437-440; DOI: 10.1126/science.abn4290

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