中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-027）——室温半导体微纳器件中热电子的绝热输运

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工作简介

         ——室温半导体微纳器件中热电子的绝热输运

中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究组和复旦大学安正华课题组与日本东京大学、英国国家物理实验室等合作在传统半导体的微纳器件热电子研究中发现室温环境下的能量低耗散准绝热输运机理。研究成果以“Quasiadiabatic electron transport in room temperature nanoelectronic devices induced by hot-phonon bottleneck”为题，于2021年08月06日发表在Nature Communications杂志上。

载流子的绝热输运可以从根本上克服载流子与半导体晶格环境普遍存在的能量交换引发的载流子能量耗散难题，可望从半导体器件的能量转换效率角度成为后摩尔时代实现信息和能源器件极限能效性能的终极理想方案之一。自从1956年诺贝尔物理学奖获得者约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利发明晶体管后，实现室温条件下电荷绝热输运成为半导体器件发展的世纪难题。在近百年的半导体物理研究领域，室温绝热输运更多成为理论研究的一种理想假设，实验上人们不得不借助低温技术等极端实验条件下载流子的相干输运、弹道输运或形成库伯对这样的新的准粒子（即形成超导）等形式来实现准绝热输运。然而由于低温给实际应用带来的巨大障碍，室温超导依然是当今的理论和技术重大挑战。不仅如此，通过上述相干或弹道输运等实现的绝热输运仅仅适用于近热平衡器件，即：载流子的温度近似等于所处晶格环境的温度（T_electron≈T_lattice）;而对实际室温应用中的纳电子学器件、功率器件、光电器件等处于非热平衡（T_electron>>T_lattice≈300K）状态下的半导体器件则无法适用。如何实现非热平衡状态下载流子的绝热输运，甚至是室温工作条件下的这类绝热输运，一直是半导体器件物理学领域极具挑战的前沿课题。

近日，陆卫研究员及其合作团队利用近年来自主研制的扫描太赫兹噪声显微镜技术（Science 360, 775(2018)）对GaAs半导体微纳器件中的热电子进行直接的显微观测研究，不仅直接观测到电子等效温度高达T_electron~10³K，显著高于晶格温度（T_lattice≈300K），而且还观测到这些远离热平衡（out-of-equilibrium）热电子展现出显著不同于近热平衡电子（T_electron≈T_lattice）的准绝热输运行为。按照传统器件的经典扩散-弛豫模型，近热平衡电子的能量随着输运距离的增加而指数式快速衰减，特别是在室温下由于大量晶格（声子）散射的存在，常规半导体中载流子的能量弛豫距离仅在纳米级。而陆卫研究团队的最新结果显示，远离热平衡的热电子可以在微米级尺度上以超过90%效率进行能量输运，这为大幅提升热电子能量的收集和利用效率带来新的极限。深入研究显示，其物理本质为上述非热平衡体系在能量动力学演化过程中，热电子发射的过量LO声子由于“热声子瓶颈”效应，与热电子体系形成准热平衡状态（T_LO ≈T_electron ~10³K）从而近似关闭热电子能量向晶格弛豫的通道，并由此实现了室温条件下热电子的准绝热输运。这打破了传统近平衡器件物理理论的限制，突破了传统上认为电子输运过程中的声子发射总是有害于能量输运的一般认识，首次揭示可以利用过量发射的热声子在动力学弛豫过程中的瓶颈效应实现载流子的绝热和高携能输运全新机制。实验中微米级尺度准绝热现象的发现对基于传统半导体的纳电子学器件底层热管理、太阳能电池的Shockley–Queisser理论效率极限的突破、热电器件的能量转化效率提升等带来了全新的研究思路。

图1. 采用扫描太赫兹噪声显微镜(SNoiM)和扫描热显微镜(SThM)分别观测到电子温度T_electron(图a)和晶格温度T_lattice(图b)的空间分布。图a中沟道区内入口端的电子热斑(T_electron ~2×10³K)未引起明显的GaAs晶格热效应(见图b底部)，沟道区内电子的准绝热输运使得几乎全部能量被传输至沟道出口。图c为砷化镓器件沟道区对应的原子力显微(AFM)照片。

该研究成果发表在Nature Communications期刊上。中科院上海技术物理研究所翁钱春博士、复旦大学杨乐博士和安正华研究员为论文共同第一作者，翁钱春博士、安正华研究员和陆卫研究员为论文共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、上海市科委科技创新行动计划的支持。

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作者简介

通讯作者

陆卫， 男，博士生导师。中国科学院上海技术物理所研究员、上海科技大学物质学院执行院长、国家杰出青年基金获得者(1995年)、J．Appl．Phys．副主编。

作为第一完成人获得国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖1项，代表性成果”III-V族半导体量子结构中量子态光电功能调控”入选国家“十二五”科技创新成就展。在Science、Physical Review Letters等国际学术期刊发表论文220余篇，他引超过4000余次，出版专著3部；授权发明专利100余项，获中国专利优秀奖1项。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25094-5

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章内容来源于“半导体学报”公众号

编辑：黄琦

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