這將是下一代半導體材料的最佳選擇

來源：本文由半導體行業觀察（ID：icbank）編譯自UCSB

在一項證實其作為下一代半導體材料的前景的研究中，加州大學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方式，”工程學院機械工程助理教授 Bolin Liao 說。他和他的團隊使用美國一所大學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電荷的產生和傳輸過程的“movies” ，它最近被認為具有非凡的電氣和熱性能。在這個過程中，他們發現了另一種有益的特性，增加了該材料作為下一個偉大半導體的潛力。

他們的研究與休斯頓大學物理學教授Zhifeng Ren團隊合作進行，該團隊專門制造高質量的立方砷化硼單晶，發表在《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際上是硅的 10 倍，”廖說。他解釋說，隨著電子元件變得更小、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。

“隨著你的手機變得越來越強大，你希望能夠散熱，否則你就會遇到效率和安全問題，”他說。“對于許多微電子設備來說，熱管理一直是一個挑戰。”

事實證明，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，即光激發的電荷，例如在太陽能電池中。如果經過實驗驗證，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：休斯頓大學團隊的晶體生長技能和加州大學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原子——但它們通常非常慢，”廖說，并指出這使得它們非常適合捕捉靜態圖像。

“通過我們的技術，我們將這種非常高的空間分辨率與超快激光相結合，作為非常快的快門，以獲得極高的時間分辨率，”Liao 繼續說道。“我們說的是一皮秒——百萬分之一秒。所以我們可以制作這些微觀能量和電荷傳輸過程的電影。” 該方法最初是在加州理工學院發明的，后來在 UCSB 從頭開始進一步開發和改進，現在是美國大學唯一可操作的 SUEM 設置。

“發生的事情是，我們有一個激發樣品的激光脈沖，”Matter 論文的第一作者、研究生研究員 Usama Choudhry 解釋說。“你可以把它想象成敲鐘；這是一種巨大的噪音，隨著時間的推移會慢慢減弱。” 他解釋說，當他們“Ringing the Bell”時，第二個激光脈沖聚焦在光電陰極（“電子槍”）上，以產生一個短電子脈沖來對樣品進行成像。然后他們隨著時間的推移掃描電子脈沖以獲得環的全貌。“只需進行大量此類掃描，您就可以獲得電子和空穴如何被激發并最終恢復正常的電影，”他說。

他們在激發樣品并觀察電子返回其原始狀態時觀察到的事情之一是“熱”電子持續多長時間。

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

“例如，當你用光激發典型太陽能電池中的電子時，并不是每個電子都具有相同的能量，”喬杜里解釋說。“高能電子的壽命很短，而低能電子的壽命很長。” 他繼續說，在從典型的太陽能電池中收集能量時，只有低能電子被有效收集。高能量的往往會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能電池，則可以有效地從中獲取更多能量。

隨著砷化硼在三個相關領域——電荷遷移率、熱導率和熱光載流子傳輸時間——擊敗硅，它有可能成為電子世界下一個最先進的材料。然而，在它與硅競爭之前，它仍然面臨著巨大的障礙——大量制造高質量的晶體——大量的硅可以相對便宜且高質量地制造出來。但廖并沒有看到太大的問題。

“由于多年的投資，現在可以常規使用硅；人們在 1930 年代和 40 年代左右開始開發硅，”他說。“我認為，一旦人們認識到這種材料的潛力，就會付出更多努力來尋找種植和使用它的方法。UCSB 在半導體開發方面擁有強大的專業知識，實際上在應對這一挑戰方面處于獨特的地位。”

在 UCSB 開展的工作得到了美國能源部基礎能源科學辦公室的部分支持，獎勵編號為 DE-SC0019244，用于開發 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力學。休斯頓大學砷化硼晶體的生長得到了美國海軍研究辦公室的支持，獎勵編號為 N00014-16-1-2436。