科學家(jiā)測定超高(gāo)熱導率半導體(tǐ)-砷化硼的載流子遷移率

         本文轉自：中科院之聲

中國科學院國家(jiā)納米科學中心研究員劉新風團隊聯合美國休斯頓大(dà)學包吉明(míng)團隊、任志(zhì)鋒團隊，在超高(gāo)熱導率半導體(tǐ)-立方砷化硼（c-BAs）單晶的載流子擴散動力學研究方面取得(de)進展，為(wèi)其在集成電(diàn)路領域的應用提供重要的基礎數(shù)據指導和(hé)幫助。相關研究成果發表在《科學》（Science）上(shàng)。

随着芯片集成規模的進一步增大(dà)，熱量管理(lǐ)成為(wèi)制(zhì)約芯片性能的重要因素。受到散熱問題的困擾，不得(de)不犧牲處理(lǐ)器(qì)的運算(suàn)速度。2004年後，CPU的主頻便止步于4GHz，隻能通(tōng)過增加核數(shù)來(lái)進一步提高(gāo)整體(tǐ)的運算(suàn)速度，而這一策略對于單線程的算(suàn)法無效。2018年，具有(yǒu)超高(gāo)熱導率的半導體(tǐ)c-BAs的成功制(zhì)備引起了科學家(jiā)的興趣，其樣品實測最高(gāo)室溫熱導率超過1000 Wm-1K-1，約為(wèi)Si的十倍。c-BAs具有(yǒu)高(gāo)的熱導率以及超弱的電(diàn)聲耦合系數(shù)和(hé)帶間(jiān)散射，理(lǐ)論預測c-BAs同時(shí)具有(yǒu)頗高(gāo)的電(diàn)子遷移率（1400 cm2V-1s-1）和(hé)空(kōng)穴遷移率（2110 cm2V-1s-1），這在半導體(tǐ)材料系統中頗為(wèi)罕見，有(yǒu)望将其應用在集成電(diàn)路領域來(lái)緩解散熱困難并可(kě)實現更高(gāo)的運算(suàn)速度，因而通(tōng)過實驗來(lái)确認這種高(gāo)熱導率的半導體(tǐ)材料的載流子遷移率具有(yǒu)重要意義。

雖然c-BAs已被制(zhì)備，但(dàn)樣品中廣泛分布着不均勻的雜質與缺陷，對其遷移率的測量帶來(lái)困難。一般可(kě)以通(tōng)過霍爾效應，測定樣品的載流子的遷移率，而電(diàn)極的大(dà)小(xiǎo)制(zhì)約其空(kōng)間(jiān)分辨能力，并直接影(yǐng)響測試結果。2021年，利用霍爾效應測試的c-BAs單晶的遷移率報道(dào)結果僅為(wèi)22 cm2V-1s-1，與理(lǐ)論預測結果相差甚遠。具有(yǒu)更高(gāo)的空(kōng)間(jiān)分辨能力的原位表征方法是确認c-BAs本征遷移率的關鍵。

通(tōng)過大(dà)量的樣品反複比較，科研團隊确定了綜合應用XRD、拉曼和(hé)帶邊熒光信号來(lái)判斷樣品純度的方法，并挑選出具有(yǒu)銳利XRD衍射（0.02度）窄拉曼線寬（0.6波數(shù)）、接近0的拉曼本底、極微弱帶邊發光的高(gāo)純樣品。進一步，科研團隊自主搭建了超快載流子擴散顯微成像系統。通(tōng)過聚焦的泵浦光激發，廣場(chǎng)的探測光探測，實時(shí)觀測載流子的分布情況并追蹤其傳輸過程，探測靈敏度達到10-5量級，空(kōng)間(jiān)分辨能力達23 nm。利用該測量系統，研究比較了具有(yǒu)不同雜質濃度的c-BAs的載流子擴散速度，首次在高(gāo)純樣品區(qū)域檢測到其雙極性遷移率約1550 cm2V-1s-1，這一測量結果與理(lǐ)論預測值（1680 cm2V-1s-1）非常接近。通(tōng)過高(gāo)能量（3.1 eV，400 nm）光子激發，研究還(hái)發現長達20ps的熱載流子擴散過程，其遷移率大(dà)于3000 cm2V-1s-1。

立方砷化硼高(gāo)的載流子和(hé)熱載流子遷移速率以及超高(gāo)的熱導率，表明(míng)可(kě)廣泛應用于光電(diàn)器(qì)件、電(diàn)子元件。該研究厘清了理(lǐ)論和(hé)實驗之間(jiān)存在的差異的具體(tǐ)原因，并為(wèi)該材料的應用指明(míng)了方向。

研究工作(zuò)得(de)到中科院戰略性先導科技(jì)專項（B類）、國家(jiā)自然科學基金、國家(jiā)重點研發計(jì)劃與中科院儀器(qì)設備研制(zhì)項目等的支持。