科學家測定超高熱導率半導體-砷化硼的載流子遷移率

　　中國科學院國家納米科學中心研究員劉新風團隊聯合美國休斯頓大學包吉明團隊、任志鋒團隊，在超高熱導率半導體-立方砷化硼（c-BAs）單晶的載流子擴散動力學研究方面取得進展，為其在集成電路領域的應用提供重要的基礎數據指導和幫助。相關研究成果發表在《科學》（Science）上。 

　　隨著芯片集成規模的進一步增大，熱量管理成為制約芯片性能的重要因素。受到散熱問題的困擾，不得不犧牲處理器的運算速度。2004年后，CPU的主頻便止步于4GHz，只能通過增加核數來進一步提高整體的運算速度，而這一策略對于單線程的算法無效。2018年，具有超高熱導率的半導體c-BAs的成功制備引起了科學家的興趣，其樣品實測最高室溫熱導率超過1000 Wm^-1K^-1，約為Si的十倍。c-BAs具有高的熱導率以及超弱的電聲耦合系數和帶間散射，理論預測c-BAs同時具有頗高的電子遷移率（1400 cm²V^-1s^-1）和空穴遷移率（2110 cm²V^-1s^-1），這在半導體材料系統中頗為罕見，有望將其應用在集成電路領域來緩解散熱困難并可實現更高的運算速度，因而通過實驗來確認這種高熱導率的半導體材料的載流子遷移率具有重要意義。 

　　雖然c-BAs已被制備，但樣品中廣泛分布著不均勻的雜質與缺陷，對其遷移率的測量帶來困難。一般可以通過霍爾效應，測定樣品的載流子的遷移率，而電極的大小制約其空間分辨能力，并直接影響測試結果。2021年，利用霍爾效應測試的c-BAs單晶的遷移率報道結果僅為22 cm²V^-1s^-1，與理論預測結果相差甚遠。具有更高的空間分辨能力的原位表征方法是確認c-BAs本征遷移率的關鍵。 

　　通過大量的樣品反復比較，科研團隊確定了綜合應用XRD、拉曼和帶邊熒光信號來判斷樣品純度的方法，并挑選出具有銳利XRD衍射（0.02度）窄拉曼線寬（0.6波數）、接近0的拉曼本底、極微弱帶邊發光的高純樣品。進一步，科研團隊自主搭建了超快載流子擴散顯微成像系統。通過聚焦的泵浦光激發，廣場的探測光探測，實時觀測載流子的分布情況并追蹤其傳輸過程，探測靈敏度達到10-5量級，空間分辨能力達23 nm。利用該測量系統，研究比較了具有不同雜質濃度的c-BAs的載流子擴散速度，首次在高純樣品區域檢測到其雙極性遷移率約1550 cm²V^-1s^-1，這一測量結果與理論預測值（1680 cm²V^-1s^-1）非常接近。通過高能量（3.1 eV，400 nm）光子激發，研究還發現長達20ps的熱載流子擴散過程，其遷移率大于3000 cm²V^-1s^-1。 

　　立方砷化硼高的載流子和熱載流子遷移速率以及超高的熱導率，表明可廣泛應用于光電器件、電子元件。該研究厘清了理論和實驗之間存在的差異的具體原因，并為該材料的應用指明了方向。 

　　研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、國家重點研發計劃與中科院儀器設備研制項目等的支持。

　　圖1.c-BAs單晶的表征。（A）c-BAs單晶的掃描電鏡照片；（B）111面的X射線衍射；（C）拉曼散射（激發波長532 nm）；（D）極微弱的帶邊發光（激發波長593 nm）及熒光成像（插圖，標尺為10微米）。 

　　圖2.瞬態反射顯微成像和在c-BAs中的載流子擴散。（A）實驗裝置示意圖，激發波長為600 nm探測波長為800 nm；（B）不同時刻的瞬態反射顯微成像（標尺1微米）；（C）典型的載流子動力學；（D）0.5 ps的二維高斯擬合（E）不同時刻的載流子分布方差隨時間的演化及載流子遷移率，誤差標尺代表95%置信擬合區間。