Kisel är ett av de vanligaste grundämnena på jorden, och i sin rena form har materialet blivit grunden för mycket av modern teknik, från solceller till datachips. Men kisel egenskaper som halvledare är långt ifrån idealiska.

För det första, även om kisel lätt låter elektroner susa genom sin struktur, är det mycket mindre tillmötesgående för "hål" - elektronernas positivt laddade motsvarigheter - och att utnyttja båda är viktigt för vissa typer av chips. Dessutom är kisel inte särskilt bra på att leda värme, varför överhettningsproblem och dyra kylsystem är vanliga i datorer.

Nu har ett team av forskare vid MIT, University of Houston och andra institutioner genomfört experiment som visar att ett material känt som kubisk borarsenid övervinner båda dessa begränsningar. Den ger hög rörlighet till både elektroner och hål, och har utmärkt värmeledningsförmåga. Det är, säger forskarna, det bästa halvledarmaterialet som någonsin hittats, och kanske det bästa möjliga.

Hittills har kubisk borarsenid endast tillverkats och testats i små, labb-skala partier som inte är enhetliga. Forskarna var tvungna att använda speciella metoder som ursprungligen utvecklades av tidigare MIT postdoc Bai Song för att testa små regioner i materialet. Mer arbete kommer att behövas för att avgöra om kubisk borarsenid kan göras i en praktisk, ekonomisk form, än mindre ersätta det allestädes närvarande kiselet. Men även inom en snar framtid kan materialet hitta vissa användningsområden där dess unika egenskaper skulle göra en betydande skillnad, säger forskarna.

Fynden rapporteras i tidskriften Science , i en artikel av MIT postdoc Jungwoo Shin och MIT professor i maskinteknik Gang Chen; Zhifeng Ren vid University of Houston; och 14 andra vid MIT, University of Houston, University of Texas i Austin och Boston College.

Tidigare forskning, inklusive arbete av David Broido, som är medförfattare till den nya artikeln, hade teoretiskt förutspått att materialet skulle ha hög värmeledningsförmåga; efterföljande arbete bevisade denna förutsägelse experimentellt. Detta senaste arbete kompletterar analysen genom att experimentellt bekräfta en förutsägelse som Chens grupp gjorde redan 2018:att kubisk borarsenid också skulle ha mycket hög rörlighet för både elektroner och hål, "vilket gör det här materialet verkligen unikt", säger Chen.

De tidigare experimenten visade att den termiska konduktiviteten för kubisk borarsenid är nästan 10 gånger högre än för kisel. "Så, det är väldigt attraktivt bara för värmeavledning," säger Chen. De visade också att materialet har ett mycket bra bandgap, en egenskap som ger det stor potential som halvledarmaterial.

Nu fyller det nya verket i bilden, och visar att borarsenid med sin höga rörlighet för både elektroner och hål har alla huvudegenskaper som behövs för en idealisk halvledare. "Det är viktigt eftersom vi naturligtvis i halvledare har både positiva och negativa laddningar på motsvarande sätt. Så om du bygger en enhet vill du ha ett material där både elektroner och hål rör sig med mindre motstånd", säger Chen.

Kisel har god elektronrörlighet men dålig hålrörlighet, och andra material som galliumarsenid, som ofta används för lasrar, har på liknande sätt god rörlighet för elektroner men inte för hål.

"Värme är nu en stor flaskhals för många elektronik," säger Shin, tidningens huvudförfattare. "Kiselkarbid ersätter kisel för kraftelektronik i stora elbilsindustrier inklusive Tesla, eftersom den har tre gånger högre värmeledningsförmåga än kisel trots sin lägre elektriska rörlighet. Föreställ dig vad borarsenider kan åstadkomma, med 10 gånger högre värmeledningsförmåga och mycket högre rörlighet än kisel. Det kan vara en gamechanger."

Shin tillägger, "Den kritiska milstolpen som gör denna upptäckt möjlig är framsteg inom ultrasnabba lasergittersystem vid MIT," som ursprungligen utvecklades av Song. Utan den tekniken, säger han, hade det inte varit möjligt att påvisa materialets höga rörlighet för elektroner och hål.

De elektroniska egenskaperna hos kubisk borarsenid förutspåddes ursprungligen baserat på kvantmekaniska densitetsfunktionsberäkningar gjorda av Chens grupp, säger han, och dessa förutsägelser har nu validerats genom experiment utförda vid MIT, med hjälp av optiska detektionsmetoder på prover gjorda av Ren och medlemmar av teamet vid University of Houston.

Not only is the material's thermal conductivity the best of any semiconductor, the researchers say, it has the third-best thermal conductivity of any material—next to diamond and isotopically enriched cubic boron nitride. "And now, we predicted the electron and hole quantum mechanical behavior, also from first principles, and that is also proven to be true," Chen says.

"This is impressive, because I actually don't know of any other material, other than graphene, that has all these properties," he says. "And this is a bulk material that has these properties."

The challenge now, he says, is to figure out practical ways of making this material in usable quantities. The current methods of making it produce very non-uniform material, so the team had to find ways to test just small local patches of the material that were uniform enough to provide reliable data. While they have demonstrated the great potential of this material, "whether or where it's going to actually be used, we do not know," Chen says.

"Silicon is the workhorse of the entire industry," says Chen. "So, okay, we've got a material that's better, but is it actually going to offset the industry? We don't know." While the material appears to be almost an ideal semiconductor, "whether it can actually get into a device and replace some of the current market, I think that still has yet to be proven."

And while the thermal and electrical properties have been shown to be excellent, there are many other properties of a material that have yet to be tested, such as its long-term stability, Chen says. "To make devices, there are many other factors that we don't know yet."

He adds, "This potentially could be really important, and people haven't really even paid attention to this material." Now that boron arsenide's desirable properties have become more clear, suggesting the material is "in many ways the best semiconductor," he says, "maybe there will be more attention paid to this material."

For commercial uses, Ren says, "One grand challenge would be how to produce and purify cubic boron arsenide as effectively as silicon. … Silicon took decades to win the crown, having purity of over 99.99999999 percent, or '10 nines' for mass production today."

For it to become practical on the market, Chen says, "it really requires more people to develop different ways to make better materials and characterize them." Whether the necessary funding for such development will be available remains to be seen, he says.