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美国麻省理工学院、休斯敦大学和相关机构的研究人员制备了新的半导体——立方砷化硼，立方砷化硼克服了硅作为半导体的两个限制：同时为电子和空穴提供很高的迁移率，并具有良好的导热性能。立方砷化硼对电子和光子器件以及基础研究都具有重要意义，被麻省理工学院称为“有史以来最好的半导体材料”。相关成果于2022年7月21日发表在国际顶级学术期刊《科学》（ Science ），论文题目是《在立方砷化硼中的高双极性迁移率》（ High ambipolar mobility in cubic boron arsenide ），作者包括麻省理工学院陈刚教授、休斯敦大学任志峰教授和波士顿学院大卫·布罗伊多（David Broido）教授等。
半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。信息时代，半导体影响着人类的衣食住行，被广泛应用于芯片、通信系统、发电照明等领域。鉴于半导体的重要性，寻找新的半导体材料和改进现有的半导体材料是材料科学领域的重点研究内容。半导体通过载流子（电子或空穴）传导的方式传输电流，迁移率是指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度。迁移率反映了半导体中载流子的导电能力，迁移率大小不仅关系着导电能力的强弱，而且直接决定载流子运动的快慢，对半导体器件的工作速度、性能有直接影响。半导体传输电流，必然产生热量且涉及热量传导问题。热导率又称“导热系数”，是物质导热能力的量度。热导率大的物体是优良的热导体，热导率小的物体是不良导体或热绝缘体。
图1-10 芯片
载流子的迁移率随温度升高而降低，这对半导体器件的性能有着直接影响。例如，随着芯片中集成电路规模扩大，芯片的散热成为制约芯片性能的重要问题，解决芯片散热问题只能牺牲芯片的运算速度。受芯片散热问题困扰，CPU的主频2004年后止步于4 KHz，只能通过增加核数进一步提高整体的运算速度，而这一策略对于单线程的算法无效。为了尽可能提高芯片性能，寻找迁移率高且热导率高的半导体材料成为半导体研究领域的热门方向，越来越多的科学家投入理论预测、实验探索等领域，最快的突破出现在理论预测上。
常用的半导体材料如下：第一代（类）为硅、锗，第二代（类）为砷化镓、磷化铟，第三代（类）为氮化镓、碳化硅等。但是，硅和砷化镓并不是性能最出色的半导体材料。不同的半导体，电子和空穴的迁移率是不同的，例如硅和砷化镓（广泛用于激光器）具有较高的电子迁移率，但空穴迁移率较差。不同的半导体，热导率也是不同的。在高室温下，硅和砷化镓的电子迁移率分别为1400 cm 2 /(V·s)和450 cm 2 /(V·s)，空穴迁移率分别为450 cm 2 /(V·s)和400 cm 2 /(V·s)。硅和砷化镓的热导率分别为140 W/(m·K)和45 W/(m·K)。现实中很难找到电子和空穴的迁移率都高且热导率也高的半导体。钻石是室温下最好的热导体，其热导率超过2000 W/(m·K)，是铜等导热性能最好金属的5倍。目前，钻石被广泛用于帮助计算机芯片和其他电子设备降温。不过，钻石稀有且昂贵，高质量的合成钻石难以批量生产且成本高昂。
2013年，波士顿学院的物理学教授大卫·布罗伊多根据第一性原理预测立方砷化硼的散热性能可能与钻石一样好，立方砷化硼在室温下的热导率和钻石相当，在较高温度下甚至超过钻石。这为寻找性能最出色的半导体材料指明了方向。2015年，休斯敦大学的吕冰等人合成了这种立方砷化硼晶体，但该晶体的热导率相当低，约为200 W/(m·K)。为了提高立方砷化硼晶体的性能，研究人员把工作重点放在优化晶体生长过程上，这需要调整许多参数，包括开始使用的原材料、腔室的温度和压力，甚至是使用的管道类型以及如何清洁设备。2018年，立方砷化硼晶体的热导率已经提高到1000 W/(m·K)，这在半导体材料中仅次于金刚石。这一进展验证了2013年的理论预测。2018年，麻省理工学院陈刚团队用量子力学密度函数计算预测了立方砷化硼的性能：立方砷化硼对电子和空穴同时具有非常高的迁移率。此次的最新研究，实际上是通过实验证实了陈刚团队2018年做出的预测。
麻省理工学院陈刚教授团队在不同条件下使用多步化学蒸汽输运法，在实验室小规模生产了立方砷化硼样品。研究人员使用扫描电子显微镜（SEM）对厚度为20 mm的立方砷化硼单晶进行成像，用X射线衍射（XRD）确认了其立方结构。研究人员还利用光致发光（PL）和拉曼光谱确定了立方砷化硼中的不均匀杂质分布，测量了PL光谱，并对立方砷化硼晶体进行了二维（2D）PL映射。局部亮点表明了载流子密度和复合动力学的空间差异。
研究人员通过测量拉曼光谱和二维拉曼背景散射强度（IBG）映射发现，约700 cm -1 处的强拉曼峰与立方砷化硼区域中心的纵向光学（LO）模式有关。采用高空间分辨率的光学瞬态光栅（TG）方法测量立方砷化硼单晶在同一点的电迁移率和热导率，证实了立方砷化硼具有高热导率以及电子和空穴同时具有高迁移率。通过计算，立方砷化硼的热导率为1200 W/(m·K)，双极迁移率为1600 cm 2 /(V·s)。TG测量为立方砷化硼中电子和空穴同时具有高迁移率提供了明确的证据，研究人员称，这种材料的热导率不仅是所有半导体中最好的，而且在所有材料中的热导率排名第三，仅次于金刚石和富含同位素的立方氮化硼。
图1-11 TG测量演示图
注： A 、 k 1 、 k 2 、 k 3 、 k 4 、 k 1 - k 2 + k 3 （飞行激光脉冲）；CB（导带）；VB（价带）； E g （禁带宽度）；cm -2 （立方厘米，激发载流子密度）；ns（纳彩）；μm（微米）。
观察到的局部热导率和迁移率之间的弱相关性是由中性杂质与电离杂质引起的，这表明通过消除立方砷化硼的缺陷和杂质，可以进一步提高其热导率和双极迁移率。这种出色的热性能和电性能的结合，使立方砷化硼具有成为理想半导体所需的所有主要品质。
虽然热性能和电性能已被证明非常出色，但要使立方砷化硼真正成为实用的半导体材料，还需完成其他性能测试（如其长期稳定性）。立方砷化硼能否替代硅进入实际应用领域还有待观察研究：一是目前立方砷化硼只是在实验室小规模批量生产，距实用、经济、大规模批量生产还有距离，需要进一步研究以了解技术可能性；二是即使不能取代硅，立方砷化硼出色的性能也可以找到应用市场，研究人员花了几十年时间和无数资金，才制造出纯度超过99.99999999% 硅的技术。未来是否可能对立方砷化硼投入高额的研发资金，还有待观察。