這將是下一代半導體材料的最佳選擇

來(lái)源：本文由半導體行業(yè)觀(guān)察（ID：icbank）編譯自UCSB

在一項證實(shí)其作為下一代半導體材料的前景的研究中，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員直接可視化了立方砷化硼單晶（cubic boron arsenide single crystals）的光載流子傳輸特性。

“我們能夠可視化樣品中電荷的移動(dòng)方式，”工程學(xué)院機械工程助理教授 Bolin Liao 說(shuō)。他和他的團隊使用美國一所大學(xué)唯一運行的掃描超快電子顯微鏡 (SUEM) 裝置，能夠在這種研究相對較少的 III-V 半導體材料中制作光激發(fā)電荷的產(chǎn)生和傳輸過(guò)程的“movies” ，它最近被認為具有非凡的電氣和熱性能。在這個(gè)過(guò)程中，他們發(fā)現了另一種有益的特性，增加了該材料作為下一個(gè)偉大半導體的潛力。

他們的研究與休斯頓大學(xué)物理學(xué)教授Zhifeng Ren團隊合作進(jìn)行，該團隊專(zhuān)門(mén)制造高質(zhì)量的立方砷化硼單晶，發(fā)表在《Matter》雜志上。

砷化硼被視為替代計算機世界主要半導體材料硅的潛在候選者，因為它具有良好的性能。一方面，隨著(zhù)硅的電荷遷移率提高，它很容易傳導電流（電子及其帶正電荷的對應物，“空穴”）。然而，與硅不同，它也很容易導熱。

“這種材料的導熱率實(shí)際上是硅的 10 倍，”廖說(shuō)。他解釋說(shuō)，隨著(zhù)電子元件變得更小、更密集，這種熱傳導和釋放能力尤其重要，并且匯集的熱量威脅到設備的性能。

“隨著(zhù)你的手機變得越來(lái)越強大，你希望能夠散熱，否則你就會(huì )遇到效率和安全問(wèn)題，”他說(shuō)?！皩τ谠S多微電子設備來(lái)說(shuō)，熱管理一直是一個(gè)挑戰?！?/p>

事實(shí)證明，導致這種材料的高導熱性的原因也可能導致光載流子的有趣傳輸特性，即光激發(fā)的電荷，例如在太陽(yáng)能電池中。如果經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證，這將表明立方砷化硼也可以成為光伏和光檢測應用的有前途的材料。然而，由于可用的高質(zhì)量樣品尺寸小，直接測量立方砷化硼中的光載流子傳輸一直具有挑戰性。

該研究團隊的研究結合了兩項壯舉：休斯頓大學(xué)團隊的晶體生長(cháng)技能和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的成像能力。結合掃描電子顯微鏡和飛秒超快激光器的能力，UCSB 團隊構建了本質(zhì)上是一款速度極快、分辨率極高的相機。

“電子顯微鏡具有非常好的空間分辨率——它們可以用亞納米空間分辨率分辨單個(gè)原子——但它們通常非常慢，”廖說(shuō)，并指出這使得它們非常適合捕捉靜態(tài)圖像。

“通過(guò)我們的技術(shù)，我們將這種非常高的空間分辨率與超快激光相結合，作為非?？斓目扉T(mén)，以獲得極高的時(shí)間分辨率，”Liao 繼續說(shuō)道?！拔覀冋f(shuō)的是一皮秒——百萬(wàn)分之一秒。所以我們可以制作這些微觀(guān)能量和電荷傳輸過(guò)程的電影?！?該方法最初是在加州理工學(xué)院發(fā)明的，后來(lái)在 UCSB 從頭開(kāi)始進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，現在是美國大學(xué)唯一可操作的 SUEM 設置。

“發(fā)生的事情是，我們有一個(gè)激發(fā)樣品的激光脈沖，”Matter 論文的第一作者、研究生研究員 Usama Choudhry 解釋說(shuō)?！澳憧梢园阉胂蟪汕苗?；這是一種巨大的噪音，隨著(zhù)時(shí)間的推移會(huì )慢慢減弱?！?他解釋說(shuō)，當他們“Ringing the Bell”時(shí)，第二個(gè)激光脈沖聚焦在光電陰極（“電子槍”）上，以產(chǎn)生一個(gè)短電子脈沖來(lái)對樣品進(jìn)行成像。然后他們隨著(zhù)時(shí)間的推移掃描電子脈沖以獲得環(huán)的全貌?！爸恍柽M(jìn)行大量此類(lèi)掃描，您就可以獲得電子和空穴如何被激發(fā)并最終恢復正常的電影，”他說(shuō)。

他們在激發(fā)樣品并觀(guān)察電子返回其原始狀態(tài)時(shí)觀(guān)察到的事情之一是“熱”電子持續多長(cháng)時(shí)間。

“我們發(fā)現，令人驚訝的是，這種材料中被光激發(fā)的‘熱’電子可以比傳統半導體持續更長(cháng)的時(shí)間，”廖說(shuō)。這些“熱”載流子被認為可以持續超過(guò) 200 皮秒，這一特性與材料的高導熱性相同的特性有關(guān)。這種在更長(cháng)時(shí)間內承載“熱”電子的能力具有重要意義。

“例如，當你用光激發(fā)典型太陽(yáng)能電池中的電子時(shí)，并不是每個(gè)電子都具有相同的能量，”喬杜里解釋說(shuō)?！案吣茈娮拥膲勖芏?，而低能電子的壽命很長(cháng)?！?他繼續說(shuō)，在從典型的太陽(yáng)能電池中收集能量時(shí)，只有低能電子被有效收集。高能量的往往會(huì )以熱量的形式迅速失去能量。由于高能載流子的持久性，如果將這種材料用作太陽(yáng)能電池，則可以有效地從中獲取更多能量。

隨著(zhù)砷化硼在三個(gè)相關(guān)領(lǐng)域——電荷遷移率、熱導率和熱光載流子傳輸時(shí)間——擊敗硅，它有可能成為電子世界下一個(gè)最先進(jìn)的材料。然而，在它與硅競爭之前，它仍然面臨著(zhù)巨大的障礙——大量制造高質(zhì)量的晶體——大量的硅可以相對便宜且高質(zhì)量地制造出來(lái)。但廖并沒(méi)有看到太大的問(wèn)題。

“由于多年的投資，現在可以常規使用硅；人們在 1930 年代和 40 年代左右開(kāi)始開(kāi)發(fā)硅，”他說(shuō)?！拔艺J為，一旦人們認識到這種材料的潛力，就會(huì )付出更多努力來(lái)尋找種植和使用它的方法。UCSB 在半導體開(kāi)發(fā)方面擁有強大的專(zhuān)業(yè)知識，實(shí)際上在應對這一挑戰方面處于獨特的地位?！?/p>

在 UCSB 開(kāi)展的工作得到了美國能源部基礎能源科學(xué)辦公室的部分支持，獎勵編號為 DE-SC0019244，用于開(kāi)發(fā) SUEM，美國陸軍研究辦公室的獎勵編號為 W911NF-19-1- 0060 用于研究新興材料中的光載流子動(dòng)力學(xué)。休斯頓大學(xué)砷化硼晶體的生長(cháng)得到了美國海軍研究辦公室的支持，獎勵編號為 N00014-16-1-2436。