新型薄膜半导体问世，电子迁移速度是传统硅半导体7倍

日前，来自美国麻省理工学院、加拿大渥太华大学等机构的科学家利用三元碲铋矿（ternary tetradymite）晶体材料，成功研制出一种新型超薄晶体薄膜半导体。这种材料的厚度仅为100纳米，但其电子迁移速度却达到了惊人的10000 cm²/V-s，是传统硅半导体的7倍左右。

相关论文已经发表于《今日材料物理学》杂志（DOI:10.1016/j.mtphys.2024.101486）。

技术突破

据介绍，这种薄膜半导体的制造采用了先进的“分子束外延技术”，通过精细控制分子束并逐个原子构建，实现了几乎没有缺陷的材料。这种工艺不仅提高了电子迁移率（即电子在电场作用下穿过材料的难易程度）。

简单来说，当科学家向“薄膜”施加电流时，他们记录到了电子以 10000 cm²/V-s 的速度发生移动。相比之下，电子在“硅半导体”中的移动速度约为 1400 cm²/V-s，而在传统铜线中则要更慢。

这种超高的电子迁移率意味着更好的导电性。这反过来又为更高效、更强大的电子设备铺平了道路，这些设备产生的热量更少，浪费的能量更少。

研究人员将这种“薄膜”的特性比喻成“不会堵车的高速公路”，他们表示这种材料“对于更高效、更省电的电子设备至关重要，可以用更少的电力完成更多的工作”。这一技术突破为未来电子设备的发展打开了新的大门。

新型薄膜半导体的应用前景广阔，包括但不限于：

• 高效电子设备：由于其超高的电子迁移率，新型薄膜半导体有望用于制造更高效、更省电的电子设备。
• 热电转换设备：将废热转换成电能的可穿戴式热电设备，提高能源的利用效率。
• 自旋电子学：利用电子自旋而不是电荷来处理信息，这可能为量子计算等领域带来新的突破。

科研团队的展望

科学家们通过将“薄膜”置于极寒磁场环境中来测量材料中的电子迁移率，然后通过对薄膜通电测量“量子振荡”。当然，这种材料即使只有微小的缺陷也会影响电子迁移率，因此科学家们希望通过改进薄膜的制备工艺来取得更好的结果。

麻省理工学院的物理学家Jagadeesh Moodera表示，这项技术的成功研发表明，通过适当控制复杂系统，可以实现巨大的技术进步。科研团队将继续研究和改进这种材料，希望未来能够使其变得更薄，更适用于自旋电子学和可穿戴式热电设备。