ヒ化ホウ素

ヒ化ホウ素（ヒかホウそ、）は、化学式BAsで表されるホウ素とヒ素の無機化合物である。他にも、亜ヒ化ホウ素()などのヒ化ホウ素化合物が知られている。立方晶系のBAsの化学合成は極めて難しく、単結晶はたいてい欠陥を伴う。

性質
BAsは立方晶系（閃亜鉛鉱構造）のIII-V族半導体であり、格子定数は0.4777 nm、間接遷移は1.82 eVである。立方晶系のBAsは920 ℃以上で分解して亜ヒ化ホウ素B12As2となることが報告されている。ヒ化ホウ素の融点は2076 ℃である。熱伝導性が極めて高く、常温のBAsの単結晶で1300 W/(m·K)と計測されており、すべての金属および半導体の中で最も高い値をとる。

立方晶系のBAsの基本的な物理的性質は、実験によって計測されている。バンドギャップは1.82 eV、屈折率は波長657 nmで3.29、弾性率は326GPa、熱膨張係数は3.85×10−6/Kであり、その他にもせん断弾性係数、ポアソン比、熱容量が知られている。

ヒ化ガリウムと三元合金を形成することができ、ヒ化インジウムガリウムと四元合金を形成することができる。

BAsは、電子移動度が高いが正孔移動度が低いケイ素とは異なり、移動度が共に1000 cm2V-1s-1より大きい。

2023年、学術誌『ネイチャー』に掲載された研究によると、高圧条件下ではほとんどの素材において熱伝導性が上昇するのに対し、BAsは熱伝導性が低下することが報告された。

亜ヒ化ホウ素
ヒ化ホウ素化合物には亜ヒ化ホウ素も存在し、二十面体構造のホウ化物が含まれる。空間群Rm、菱面体晶系の構造をとり、ホウ素原子クラスターとAs-Asの鎖状構造からなる。バンドギャップが3.47 eVであるワイドギャップ半導体であり、放射線による損傷を自己修復する特異的な能力を持つ。亜ヒ化ホウ素は、炭化ケイ素などの基板上で成長させることができる。太陽電池製造への応用も提案されたもののBoone, J. L. and Vandoren, T. P. (1980) Boron arsenide thin film solar cell development, Final Report, Eagle-Picher Industries, Inc., Miami, OK. abstract.、実用化はされていない。

応用
ヒ化ホウ素は電子機器の熱管理において関心を集めている。窒化ガリウムトランジスタとの統合実験で形成されたGaN-BAsヘテロ構造は、炭化ケイ素やダイアモンド基板上の最良のGaN HEMTよりも優れた性能を示した。BAsの複合材料の製造技術は高導電性・高柔軟性の熱インタフェースとして開発された.。

第一原理計算によれば、立方晶系のBAsの熱伝導性は極めて高く、常温で2,200 W/(m·K)以上の高い値をとり、ダイアモンドやグラファイトにも匹敵すると予測されたAn unlikely competitor for diamond as the best thermal conductor, Phys.org news (July 8, 2013)。しかしその後、欠陥の高密度化により190 W/(m·K)という低い値が計測された。より最近の四フォノン散乱を考慮した第一原理計算では、1400 W/(m·K)と予測されている。その後、欠陥のないヒ化ホウ素の結晶が実験で実現され、1300 W/(m·K)という理論予測に一致する極めて高い熱伝導性を示した。欠陥の密度が低い結晶は熱伝導性が900–1000 W/(m·K)であることが示されている。

立方晶系のヒ化ホウ素は、ケイ素よりも熱容量と導電性に優れていることが発見され、電子と正孔の伝導性についてもともに優れていることが報告された。

脚注

参考文献
 2020 paper by Malica and Dal Corso - Temperature dependent elastic constants and thermodynamic properties of BAs: An ab initio investigation
Matweb data

 High ambipolar mobility in cubic boron arsenide, Science

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