¿Es este el mejor semiconductor jamás encontrado?

El silicio es la base de la industria electrónica. Sin embargo, su rendimiento como semiconductor deja mucho que desear. Ahora los científicos han descubierto que un material oscuro conocido como arseniuro de boro cúbico (c-BA) puede funcionar mucho mejor que el silicio. De hecho, puede que sea el mejor semiconductor jamás encontrado y, potencialmente, incluso el mejor posible.

El silicio es uno de los elementos más abundantes en la tierra. En su forma pura, el silicio es clave para gran parte de la tecnología moderna, desde microchips hasta células solares. Sin embargo, sus propiedades como semiconductor están lejos de ser ideales.

"Demostramos, por primera vez, un nuevo material con alta movilidad de portador y, simultáneamente, alta conductividad térmica".—Zhifeng Ren, Universidad de Houston

Por un lado, el silicio no es muy bueno para conducir el calor. Como tal, el sobrecalentamiento y los costosos sistemas de refrigeración son comunes en las computadoras. Además, aunque el silicio permite que los electrones atraviesen su estructura con facilidad, es mucho menos exigente con las ausencias de electrones con carga positiva conocidas como huecos. Estas debilidades reducen la eficiencia general del silicio como semiconductor. (Para ser justos, la mayoría de los semiconductores ofrecen alta movilidad sólo para electrones o huecos).

En 2018, experimentos revelaron que los c-BA (un cristal formado a partir de boro y arsénico, dos elementos minerales relativamente comunes) conducían el calor casi 10 veces mejor que el silicio. Esta es la conductividad térmica más conocida de cualquier semiconductor y la tercera conductividad térmica más conocida de cualquier material, detrás del diamante y el nitruro de boro cúbico enriquecido isotópicamente.

Además, las predicciones teóricas sugirieron que los c-BA también poseerían una movilidad muy alta tanto para los electrones como para los huecos. Ahora, en dos estudios publicados en la edición del 22 de julio de la revista Science, los experimentos confirman la alta movilidad de electrones y huecos del arseniuro de boro cúbico.

"Demostramos, por primera vez, un nuevo material con alta movilidad de portador y simultáneamente alta conductividad térmica", dice Zhifeng Ren, físico y científico de materiales de la Universidad de Houston y coautor de ambos estudios. "Los hallazgos señalan una nueva dirección para los semiconductores que podría revolucionar la industria de los semiconductores en un futuro próximo".

Analizar la movilidad de electrones y huecos en c-BA fue un desafío porque los cristales que tenían los investigadores eran pequeños. Además, los cristales estaban plagados de impurezas que dispersaban los electrones y los huecos. Al sondear los cristales con pulsos láser, el equipo de científicos (de la Universidad de Houston, así como del MIT, la Universidad de Texas en Austin y el Boston College) descubrió que los electrones y los huecos de electrones tenían la mayor movilidad en los lugares de la red con la mayor movilidad. menor cantidad de impurezas.

La movilidad de electrones y huecos se mide en unidades de centímetros cuadrados por voltio-segundo (cm2/V•s). El silicio tiene una movilidad electrónica de 1.400 cm2/V•s y una movilidad de huecos de 450 cm2/V•s a temperatura ambiente. Por el contrario, según los nuevos hallazgos, los c-BA tienen una movilidad de 1.600 cm2/V•s tanto para electrones como para huecos que se mueven juntos a temperatura ambiente.

Además, uno de los dos nuevos estudios publicados en Science encontró que la movilidad de los electrones en los c-BA podría alcanzar hasta 3.000 cm2/V•s. Esta hazaña puede deberse a los "electrones calientes", que preservan la energía generada por los pulsos láser utilizados para excitar los portadores de carga por más tiempo que en la mayoría de los otros materiales.

Hasta ahora, los científicos han producido c-BA sólo en lotes pequeños, a escala de laboratorio, que no son uniformes. Aun así, Ren cree que es muy probable que se pueda fabricar de forma práctica y económica, ya que el boro, el arsénico y la técnica de fabricación de cristales son económicos. Dice que para mantener el control de calidad, los cristales pueden ampliarse a tamaños mucho mayores sólo "cuando se comprenda completamente el proceso de crecimiento".

Además, dice Ren, "mi grupo siempre ha creído que se debería lograr una conductividad térmica y una movilidad aún mayores cuando se mejora aún más la calidad del cristal, por lo que el objetivo a corto plazo es mejorar su crecimiento para obtener cristales de mayor calidad".