這將是下一代半導(dǎo)體材料的最佳選擇

來(lái)源：本文由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自UCSB

在一項(xiàng)證實(shí)其作為下一代半導(dǎo)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(jī)械工程助理教授 Bolin Liao 說(shuō)。他和他的團(tuán)隊(duì)使用美國(guó)一所大學(xué)唯一運(yùn)行的掃描超快電子顯微鏡 (SUEM) 裝置，能夠在這種研究相對(duì)較少的 III-V 半導(dǎo)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(rèn)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(xiàn)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(dǎo)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(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行，該團(tuán)隊(duì)專門制造高質(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(jì)算機(jī)世界主要半導(dǎo)體材料硅的潛在候選者，因?yàn)樗哂辛己玫男阅?。一方面，隨著硅的電荷遷移率提高，它很容易傳導(dǎo)電流（電子及其帶正電荷的對(duì)應(yīng)物，“空穴”）。然而，與硅不同，它也很容易導(dǎo)熱。

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

“隨著你的手機(jī)變得越來(lái)越強(qiáng)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?duì)于許多微電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，熱管理一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。”

事實(shí)證明，導(dǎo)致這種材料的高導(dǎo)熱性的原因也可能導(dǎo)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(yàn)驗(yàn)證，這將表明立方砷化硼也可以成為光伏和光檢測(cè)應(yīng)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(cè)量立方砷化硼中的光載流子傳輸一直具有挑戰(zhàn)性。

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

“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(jié)合，作為非常快的快門，以獲得極高的時(shí)間分辨率，”Liao 繼續(xù)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 從頭開始進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)，現(xiàn)在是美國(guó)大學(xué)唯一可操作的 SUEM 設(shè)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)。“你可以把它想象成敲鐘；這是一種巨大的噪音，隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢減弱。” 他解釋說(shuō)，當(dāng)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(duì)樣品進(jìn)行成像。然后他們隨著時(shí)間的推移掃描電子脈沖以獲得環(huán)的全貌。“只需進(jìn)行大量此類掃描，您就可以獲得電子和空穴如何被激發(fā)并最終恢復(fù)正常的電影，”他說(shuō)。

他們?cè)诩ぐl(fā)樣品并觀察電子返回其原始狀態(tài)時(shí)觀察到的事情之一是“熱”電子持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間。

“我們發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)半導(dǎo)體持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，”廖說(shuō)。這些“熱”載流子被認(rèn)為可以持續(xù)超過(guò) 200 皮秒，這一特性與材料的高導(dǎo)熱性相同的特性有關(guān)。這種在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承載“熱”電子的能力具有重要意義。

“例如，當(dāng)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)。“高能電子的壽命很短，而低能電子的壽命很長(zhǎng)?！?他繼續(xù)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。

隨著砷化硼在三個(gè)相關(guān)領(lǐng)域——電荷遷移率、熱導(dǎo)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(jìng)爭(zhēng)之前，它仍然面臨著巨大的障礙——大量制造高質(zhì)量的晶體——大量的硅可以相對(duì)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(xiàn)在可以常規(guī)使用硅；人們?cè)?1930 年代和 40 年代左右開始開發(fā)硅，”他說(shuō)?！拔艺J(rèn)為，一旦人們認(rèn)識(shí)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(dǎo)體開發(fā)方面擁有強(qiáng)大的專業(yè)知識(shí)，實(shí)際上在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)方面處于獨(dú)特的地位。”

在 UCSB 開展的工作得到了美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的部分支持，獎(jiǎng)勵(lì)編號(hào)為 DE-SC0019244，用于開發(fā) SUEM，美國(guó)陸軍研究辦公室的獎(jiǎng)勵(lì)編號(hào)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(zhǎng)得到了美國(guó)海軍研究辦公室的支持，獎(jiǎng)勵(lì)編號(hào)為 N00014-16-1-2436。