立方砷化硼的优势在导热性能上，可作为传统硅基半导体的导热介质

在今天的半导体行业，散热几乎可以说是去除了PPA(功耗、性能和面积)最不能不容忽视的。例如移动SoC，芯片过热和频率降低的问题影响了市场上的任何一款智能手机。但为了大大提高半导体本身的散热性能，几乎所有人都必须从材料开始，这意味着我们必须推翻硅在过去几十年中建立的稳定地位。在最近的一期《科学》杂志中，有两篇关于立方砷化硼的论文，描述了这种新材料取代硅的可能性。

导热性能极佳

正如一开始所说，热量已经成为半导体BQ27541DRZT-V200进一步提高性能和在各种场景中投入使用的瓶颈，因此我们开始开发具有高导热系数的半导体材料。正因为如此，导热系数可达500W/mK碳化硅由于其导热系数是传统硅材料的三倍以上，逐渐进入汽车和航天市场。

立方砷化硼结构/麻省理工学院

早在2018年，研究人员就发现，砷化硼材料可能具有更高的导热系数。通过对体单晶砷化硼的测试，其局部室温导热系数可超过1万W/mK，平均值在900左右W/mK左右。在后续研究中，研究人员发现，如果选择立方砷化硼，可以达到1200W/mK导热系数接近硅材料的十倍，也是碳化硅、铜等材料的三倍左右。

高载流子迁移率

只是热导率高没什么，还有一个重要的参数，那就是载流子迁移率(电子迁移率和孔隙迁移率)，这也是两篇论文研究的重点。载流子迁移率较高意味着半导体的逻辑运算速度较快，因此在高密度半导体芯片下可以实现更高的性能。正是因为碳化硅、氮化镓等材料在电子迁移率和孔隙迁移率上不如硅，才没有广泛应用于逻辑芯片的制造，主要用于功率半导体。

在麻省理工学院陈刚院士团队和休斯顿大学任志峰教授团队发表的论文中，他们使用了麻省理工学院院士团队和休斯顿大学任志峰教授团队MIT新技术的瞬态光栅光谱，利用这种超快的激光光栅系统，可以同时测量材料的电性能和热性能。另一篇论文由国家纳米中心刘新峰研究团队、休斯顿大学包吉明团队和任志峰团队发表，他们建立了一套“超快载流子扩散显微成像系统”，进行实时原位观测。

这两篇论文得出结论，立方砷化硼的迁移率为1600cm2/Vs大约，这个参数比硅高14%左右，也超过了碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料。然而，与砷化镓相比，它标榜着超高的电子迁移率。尽管如此，导电性更好+导热性能，这不是替代硅材料的好头吗？

性能可能达标，但制备量产是难题

正如我们在之前的文章中提到的，硅作为最丰富的元素之一，几乎随处可见，但要作为半导体材料，它也必须使用5N上述高纯石英砂。目前，立方砷化硼的储备不足以与硅竞争，纯化制备，更不用说停留在实验室规模，但也会遇到许多挑战。例如，电离杂质会降低载流子的迁移率，中性杂质也会降低导热性。此外，为了取代硅的主导地位，除了迁移率和导热性外，其他材料的性能也必须足够优异，如长期稳定性。

此外，随着光电应用的兴起，砷化镓、氮化镓、氮化硼等三五种半导体已开始应用于高效太阳能电池、固态照明、高功率、高速晶体管，而立方砷化硼的光学参数仍有待探索。2020年，还有相关研究论文分析了立方砷化硼的光学特性，包括紫外光、可见光和近红外波长范围下的复介电函数、折射率和吸收系数。只有了解了这些参数，才能使用该材料进行光电设计。

结语

虽然立方砷化硼在导热性能和迁移率方面具有良好的前景，但离正式投入商业使用还有很长的路要走。目前，立方砷化硼最大的优点是导热性能，未来很可能在一些热要求较高的半导体场景中使用，甚至作为传统硅基半导体的导热介质。