È questo il miglior semiconduttore mai trovato?

Il silicio è il fondamento dell’industria elettronica. Tuttavia, le sue prestazioni come semiconduttore lasciano molto a desiderare. Ora gli scienziati hanno scoperto che un materiale oscuro noto come arseniuro di boro cubico (c-BA) può funzionare molto meglio del silicio. In effetti, potrebbe essere il miglior semiconduttore mai trovato, e potenzialmente anche il migliore possibile.

Il silicio è uno degli elementi più abbondanti sulla terra. Nella sua forma pura, il silicio è fondamentale per gran parte della tecnologia moderna, dai microchip alle celle solari. Tuttavia, le sue proprietà come semiconduttore sono tutt’altro che ideali.

“Abbiamo dimostrato, per la prima volta, un nuovo materiale con elevata mobilità dei portatori e contemporaneamente elevata conduttività termica.”—Zhifeng Ren, Università di Houston

Per prima cosa, il silicio non è molto bravo a condurre il calore. Pertanto, nei computer sono comuni il surriscaldamento e i costosi sistemi di raffreddamento. Inoltre, sebbene il silicio permetta agli elettroni di correre facilmente attraverso la sua struttura, è molto meno obbligato alle assenze di elettroni caricati positivamente noti come buchi. Questi punti deboli riducono l'efficienza complessiva del silicio come semiconduttore. (Per essere onesti, la maggior parte dei semiconduttori offre un'elevata mobilità solo per gli elettroni o le lacune.)

Nel 2018, gli esperimenti hanno rivelato che i c-BA, un cristallo cresciuto da boro e arsenico, due elementi minerali relativamente comuni, conducevano il calore quasi 10 volte meglio del silicio. Questa è la conduttività termica più conosciuta di qualsiasi semiconduttore e la terza conduttività termica più conosciuta di qualsiasi materiale, dietro al diamante e al nitruro di boro cubico arricchito isotopicamente.

Inoltre, le previsioni teoriche suggerivano che i c-BA avrebbero anche una mobilità molto elevata sia per gli elettroni che per le lacune. Ora, in due studi pubblicati nel numero del 22 luglio della rivista Science, gli esperimenti confermano l'elevata mobilità degli elettroni e delle lacune dell'arseniuro di boro cubico.

"Abbiamo dimostrato, per la prima volta, un nuovo materiale con elevata mobilità dei portatori e contemporaneamente elevata conduttività termica", afferma Zhifeng Ren, fisico e scienziato dei materiali presso l'Università di Houston e coautore di entrambi gli studi. “I risultati evidenziano una nuova direzione per i semiconduttori che potrebbe rivoluzionare l’industria dei semiconduttori nel prossimo futuro”.

Analizzare la mobilità degli elettroni e delle lacune nei c-BA è stato impegnativo perché i cristalli a disposizione dei ricercatori erano piccoli. Inoltre, i cristalli erano pieni di impurità che disperdevano gli elettroni e le lacune. Analizzando i cristalli con impulsi laser, il team di scienziati (dell'Università di Houston, del MIT, dell'Università del Texas ad Austin e del Boston College) ha scoperto che gli elettroni e le lacune elettroniche avevano la massima mobilità in posizioni sul reticolo con il minor numero di impurità.

La mobilità degli elettroni e delle lacune viene misurata in unità di centimetri quadrati per volt-secondo (cm2/V•s). Il silicio ha una mobilità degli elettroni di 1.400 cm2/V•se una mobilità delle lacune di 450 cm2/V•s a temperatura ambiente. Al contrario, secondo le nuove scoperte, c-BAs ha una mobilità di 1.600 cm2/V•s sia per gli elettroni che per le lacune che si muovono insieme a temperatura ambiente.

Inoltre, uno dei due nuovi studi pubblicati su Science ha scoperto che la mobilità degli elettroni nei c-BA potrebbe raggiungere i 3.000 cm2/V•s. Questa impresa potrebbe essere dovuta agli “elettroni caldi”, che preservano l’energia generata dagli impulsi laser utilizzati per eccitare i portatori di carica più a lungo rispetto alla maggior parte degli altri materiali.

Finora, gli scienziati hanno prodotto c-BA solo in piccoli lotti su scala di laboratorio che non sono uniformi. Tuttavia, Ren ritiene che sia molto probabile che possa essere realizzato in modo pratico ed economico, poiché il boro, l’arsenico e la tecnica di fabbricazione dei cristalli sono tutti poco costosi. Dice che per mantenere il controllo di qualità, i cristalli possono essere ridimensionati a dimensioni molto più grandi solo “quando il processo di crescita è pienamente compreso”.

Inoltre, afferma Ren, “il mio gruppo ha sempre creduto che si dovrebbero ottenere una conduttività termica e una mobilità ancora più elevate quando la qualità dei cristalli viene ulteriormente migliorata, quindi l’obiettivo a breve termine è quello di migliorare la loro crescita per cristalli di qualità superiore”.