ヒ化ホウ素

ヒ化ホウ素：次世代熱管理材料としての可能性

ヒ化[ホウ素]は、ホウ素とヒ素から構成されるIII-V族半導体です。その特筆すべき性質として、非常に高い熱伝導率が挙げられます。この高い熱伝導率は、次世代の高性能電子機器における熱管理問題解決に貢献する可能性を秘めており、近年、活発な研究開発が行われています。

物理的性質と合成の難しさ

ヒ化ホウ素は、格子定数0.4777 nm、間接バンドギャップ1.82 eVという物理的性質を持ちます。融点は2076℃と非常に高く、920℃を超えるとB12As2に分解することが知られています。興味深いことに、その熱伝導率は室温において約1300 W/(m・K)と非常に高く、これはダイヤモンドやグラファイトに匹敵する値です。しかし、純粋なヒ化ホウ素の合成は非常に困難であり、現在得られている単結晶は常に何らかの欠陥を含んでいます。この欠陥の存在が、熱伝導率の測定値に影響を与える可能性があります。

関連化合物：亜ヒ化物

ヒ化[ホウ素]]以外にも、ホウ素とヒ素からなる亜ヒ化物が存在します。その中でも、二十面体構造を持つB12As2は注目に値します。B12As2は、ホウ素原子とAs-As鎖の集合体からなり、R3m空間群の菱面体構造を有しています。この亜ヒ化物は、広いバンドギャップ]を持ち、放射線による損傷に対して自己修復能力を持つという特性も示しています。[[炭化ケイ素などの基板上で成長させることができ、太陽電池への応用も提案されていますが、現状ではまだ実用化には至っていません。

高熱伝導率と電子機器への応用

ヒ化ホウ素の高い熱伝導率は、電子機器の熱管理において大きなメリットをもたらします。特に、高出力・高集積化が進む電子デバイスでは、発熱による性能低下や信頼性低下が深刻な問題となります。ヒ化ホウ素はそのような問題を解決できる可能性を秘めています。

実験では、窒化ガリウム(GaN)トランジスタとヒ化ホウ素を組み合わせたGaN-BAsヘテロ構造が作製され、従来の最高のGaN高電子移動度トランジスタよりも優れた性能を示すことが確認されました。さらに、ヒ化ホウ素複合体は、高い伝導性と柔軟性を兼ね備えた放熱材料としての開発も進められています。

熱伝導率に関する理論と実験

第一原理計算では、ヒ化ホウ素の熱伝導率は室温で2200 W/(m・K)以上と予測されていましたが、初期の実験では欠陥の影響により、190 W/(m・K)という低い値しか得られませんでした。フォノン散乱を考慮した最新の第一原理計算では、1400 W/(m・K)と予測され、その後、欠陥の少ない結晶の合成に成功したことで、この予測値とほぼ一致する1300 W/(m・K)という測定値が得られました。少量の欠陥を含む結晶では、900～1000 W/(m・K)程度の熱伝導率を示します。

まとめ

ヒ化ホウ素は、その高い熱伝導率から次世代電子機器の熱管理材料として大きな期待を集めています。合成の難しさや欠陥制御といった課題は残りますが、継続的な研究開発により、実用化への道が開かれつつあります。今後、さらに高品質な結晶の合成技術や、様々な電子デバイスへの応用技術が開発されることで、ヒ化ホウ素は電子機器の高性能化・高信頼性化に大きく貢献すると考えられます。

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