立方砷化硼是一种完美的半导体？

立方砷化硼的高载流子迁移率为下一代电子器件提供了前景

 

研究人员通过实验发现，立方砷化硼晶体为电子和空穴提供了高载流子迁移率——半导体材料中电荷的两种携带方式——这表明下一代电子学取得了重大进展。

 

虽然早期的预测理论上认为该晶体可以同时表现出高电子和空穴迁移率，但7月22日在《科学》杂志上发表的两篇论文中有一篇表明，研究人员能够在室温下实验验证高载流子迁移率，扩大了其在商业应用中的潜在用途。来自美国各地的研究人员，包括休斯顿大学、麻省理工学院、德克萨斯大学奥斯汀分校和波士顿学院，都参与了这项工作。

 

7月22日出版的《科学》杂志上的一篇论文描述了使用瞬态反射显微镜测量晶体，证明了在某些情况下，当使用更高能量的激光束时，高迁移率超过了先前的预测。这项工作是由UH和北京国家纳米科学技术中心的研究人员以及中国其他几个机构共同完成的。

 

Zhifeng Ren是德州大学德克萨斯超导中心主任，也是这两篇论文的通讯作者。他说，这项工作对一系列电子和光学应用具有重要意义，类似于广泛应用于各种电子产品的硅晶圆出现后的进步。

 

一些半导体应用需要一种既具有高导热性（测量材料导热效率）又具有高电子和空穴迁移率的材料。早期的研究已经证明立方砷化硼具有高导热性，这使得高双极迁移率成为一个关键的进步。

 

“这种材料的潜力是巨大的，”Ren说，他也是UH的物理学教授。他说，虽然持续生产具有均匀性能的较大晶体的工作正在进行，但其结果可能对该领域产生比硅晶圆更大的影响。

 

这是因为半导体需要电流通过电子和空穴，但大多数已知材料仅为一种载流子提供高迁移率。半导体的整体效率由较低的值决定。

 

Ren说：“如果两者都很高，器件将更高效。这就是这种材料的独特之处。”

 

Ren是2018年发表在《科学》杂志上的报告的一组研究人员之一，他们在报告中表示，这种晶体的导热系数远高于传统半导体。这项工作是在Ren实验室生长的晶体的基础上进行的，过实验证明了关于该物质高迁移率的理论预测。

 

载流子迁移率以cm2V-1s-1为单位测量；研究人员报告了1600 cm2V-1s-1的迁移率。这部分工作由麻省理工学院电力工程教授Carl Richard Soderberg和该论文的合著者Gang Chen领导，他们使用光学瞬态光栅方法测量了电迁移率和热导率。

在第二篇论文中，由UH的Ren和Jiming Bao以及北京国家纳米科学技术中心的Xinfeng Liu领导的研究人员报告了从约1500 cm2V-1s-1到高达3000 cm2V-1s-1的范围。

 

由于晶体不大且不均匀，载流子迁移率的测量很复杂，这意味着霍尔效应等传统测量方法无法准确确定其特性。研究人员说，电离杂质通过强烈散射载流子削弱了材料的性能，尽管其他杂质（论文中称为“中性杂质”）的影响较小。

“样本并不均匀，但你可以在局部看到潜力，”Ren说。“如果你有一个没有缺陷的晶体，迁移率可能会比预期的高得多。我们正在不断研究以解决这个问题。”

 

在第二篇论文中，来自UH和中国六所大学和机构的研究人员描述了使用瞬态反射显微镜测量电子和空穴迁移率。

 

Bao是德州大学电气工程教授，也是德克萨斯超导中心的首席研究员。他说，研究人员用激光脉冲激发样品中的载流子来监测它们的扩散，在这个过程中，发现了立方砷化硼晶体和大多数半导体材料之间的关键区别。例如，在硅中，他说电子的移动速度大约是空穴的四倍。

 

“在这种情况下，空穴的移动速度比电子快，”他说。但电子和空穴都表现出异常高的迁移率，提高了材料的整体性能。

Bao将最高的测量结果归因于“热电子”，它能将激光脉冲产生的热量或能量维持得比大多数其他材料更长。该测量结果检测到的迁移率远高于1600 cm2V-1s-1。Bao说，材料上的空穴也是如此。

 

立方砷化硼晶体的结构使电荷载流子更难冷却，这意味着它们能够更长时间地保持热量以及由此产生的高迁移率。研究人员报告的迁移率与预测的水平和Chen实验室发现的水平相似，但注意到额外的实验显示迁移率超过3000 cm2V-1s-1，他们将其归因于热电子。

 

Bao说，这一发现部分取决于测量晶体中杂质很少或没有杂质的部分。“样品不均匀，我们发现杂质最少的点流动性最高。”

 

除了Ren和Chen，参与这项研究以证明高流动性的研究人员还包括UH的Geethal Amila Gamage 和Fei Tian；MIT的Jungwoo Shin、Zhiwei Ding、Ke Chen、Xin Qian、Jiawei Zhou、Aaron Schmidt、Thanh Nguyen、Fei Han和Mingda Li；德克萨斯大学奥斯汀分校的Hwijong Lee、 Li Shi和Jianshi Zhou；波士顿学院的David Broido。

 

Bao的合作者，除了Ren和Liu，包括UH的Shuai Yue、Fei Tian、Mohammadjavad Mohebinia和Tian Tong；国家纳米科学技术中心和中国科学院大学的Sui和Xianxin Wu；中国电子科技大学的Zhiming Wang；华南师范大学的Bo Wu；北京大学的Qing Zhang。

 

参考文献

 

'High ambipolar mobility in cubic boron arsenide'; SCIENCE 21 Jul 2022

 

声明：本篇文章属于原创，拒绝转载，如果需要转载，请联系我们，联系电话：0755-25988571。