前沿进展 | 下一代微电子应用的理想半导体材料——砷化硼

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，国家纳米科学中心刘新风研究员团队与休斯顿大学包吉明团队和任志锋团队合作，在超高热导率半导体-立方砷化硼（c-BAs）单晶的载流子扩散动力学研究方面取得最新进展，为其在集成电路领域的应用提供重要基础数据指导和帮助。相关研究成果以“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy”为题于2022年7月21日发表在 Science 上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

‍

随着芯片集成规模的进一步增大，热量管理成为制约芯片性能越来越重要的因素。受散热问题的困扰，人们不得不牺牲处理器的运算速度。

从2004年后，CPU的主频便止步在了4 GHz，只能通过增加核数来进一步提高整体的运算速度，然而这一策略对于单线程的算法却是无效的。2018年，具有超高热导率的半导体c-BAs的制备引起了人们极大兴趣，其样品实测最高室温热导率超过1000 Wm^-1K^-1，约为Si的十倍。

c-BAs不仅具有高的热导率，由于其超弱的电声耦合系数和带间散射，理论预测c-BAs还同时具有非常高的电子迁移率（1400 cm²V^-1s^-1）和空穴迁移率（2110 cm²V^-1s^-1），这在半导体材料系统中是非常罕见的，有望将其应用在集成电路领域来缓解散热的困难并且能够实现更高的运算速度，因而通过实验来确认这种高热导率的半导体材料的载流子迁移率具有非常重要的意义。

03 研究创新点

虽然c-BAs被制备出来，但样品中广泛分布着不均匀的杂质，为其迁移率的测量带来极大的困难。一般可以通过霍尔效应，测定样品的载流子的迁移率；然而电极的大小制约着其空间分辨能力，并直接影响到测试的结果。2021年，利用霍尔效应测试的c-BAs单晶的迁移率报道结果仅为22 cm²V^-1s^-1，与理论预测结果相差甚远。具有更高的空间分辨能力的原位表征方法是确认c-BAs本征迁移率的关键。

通过大量的样品反复比较，该团队确定了综合应用XRD、拉曼和带边荧光信号来判断样品纯度的方法，并挑选出了具有锐利XRD衍射（0.02度）窄拉曼线宽（0.6波数），接近0的拉曼本底，极微弱带边发光的高纯样品（图1）。

图1 c-BAs单晶的表征。（A）c-BAs单晶的扫描电镜照片；（B）111面的X 射线衍射；（C）拉曼散射（激发波长532 nm）；（D）极微弱的带边发光(激发波长593 nm)及荧光成像(插图，标尺为10 μm)

该团队进一步自主搭建了超快载流子扩散显微成像系统。通过聚焦的泵浦光激发，广场的探测光探测，实时观测载流子的分布情况并追踪其传输过程，探测灵敏度达到了10^-5量级, 空间分辨能力达23 nm。

利用该测量系统，他们详细地比较了具有不同杂质浓度的c-BAs的载流子扩散速度，首次在高纯样品区域检测到其双极性迁移率约 1550 cm²V^-1s^-1, 这一测量结果与理论预测值（1680 cm²V^-1s^-1）非常接近（图2）。通过高能量（3.1 eV，400 nm）光子激发，该团队还发现了长达20 ps的热载流子扩散过程，其扩散速度大于3000 cm²V^-1s^-1。

图2 瞬态反射显微成像和在c-BAs中的载流子扩散。（A）实验装置示意图，激发波长为600 nm探测波长为800 nm；（B）不同时刻的瞬态反射显微成像（标尺1 μm）；（C）典型的载流子动力学；（D）0.5 ps的二维高斯拟合（E）不同时刻的载流子分布方差随时间的演化及载流子迁移率，误差标尺代表95%置信拟合区间

04 总结与展望

立方砷化硼高的载流子和热载流子迁移速率，以及其超高的热导率，表明其可以广泛应用在光电器件、电子元件中。该研究工作厘清了理论和实验之间存在的巨大差异的具体原因，为该材料的应用指明了方向。

目前砷化硼样品的生产制备还主要停留在实验室级别，是否能够量产并进行商业化应用还存在着诸多不确定的因素。尽管如此，它依然是业界将来可以深入探索的研究方向之一，后续的进展和前景也非常值得关注。

国家纳米科学中心副研究员岳帅为文章第一作者，刘新风研究员为通讯作者。文章的共同第一作者为休斯顿大学田非博士（现中山大学教授），共同通讯作者为休斯顿大学包吉明教授和任志锋教授。该研究工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类），国家自然科学基金委项目，科技部重点研发计划，科学院仪器研制项目等项目的大力支持。

论文链接：

https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abn4727

推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密