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MIT陈刚院士团队Science重磅:比硅还强!迄今为止最好的半导体材料

来源:高分子科学前沿 231 2022-07-28

颗粒在线讯:微电子和光电器件的性能得益于所使用的半导体材料同时具有高电子和空穴迁移率和高导热系数。随着技术的进步,微电子和光电器件的性能不断提升。现阶段最常使用是导体如硅(电子迁移率:1400cm2V−1s−1,空穴迁移率:450cm2V−1s−1,导热系数:140Wm−1K−1)和砷化镓(电子迁移率:8500cm2V−1s−1,空穴迁移率:400cm2V−1s−1,导热系数:45Wm−1K−1)已经难以满足芯片和传感器的性能提升需求,因此学界和业界的目光都移向了下一代高载流子迁移率高导热率的半导体材料。石墨烯和金刚石都是候选材料,但是各自都有难以弥补的缺陷,如石墨烯的片层结构使得石墨烯片与片之间的导热率和载流子迁移率都很低,而金刚石则是能带间隙过大导致难以有效掺杂。理论计算表明,立方砷化硼具备下一代半导体材料所需的所有性能,包括高导热率和高双极载流子迁移率,但是在实际测量过程中并没有测得相应的性能。

迄今为止最好的半导体材料

在近日的Science连续登出两篇利用两种不同方法证实立方砷化硼具备高载流子迁移率性能的文章,分别为国家纳米中心刘新风团队联合休斯顿大学包吉明教授和任志锋教授联合发表题为“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy”的文章(详细报道:立方砷化硼,一天2篇Science!)和MIT陈刚院士和休斯顿大学任志锋教授联合发表题为“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide”的文章。二者所采用的方法不同却都检测到立方砷化硼的高载流子迁移率。这些发现表明立方砷化硼是唯一已知的具有高载流子迁移率和高导热率这种理想特性组合的半导体,是下一代微电子应用的理想材料。先前的报道中,主要介绍了刘新风团队的成果,今天给大家带来了陈刚院士成果的介绍。

迄今为止最好的半导体材料

两篇Science之间的差异

在之前报道中已经详细介绍了刘新风团队所使用的泵浦探针瞬态反射率方法如何以一种没有电极接触的半导体情况下,测试载流子的迁移率(立方砷化硼,一天2篇Science!)。刘新风团队所使用的测试方法只能测量位点上的载流子迁移率。MIT陈刚院士所采用的光学瞬态光栅方法(TG)则可以实现同一位点载流子迁移率和热导率的同时测量。二者在文章的侧重也有所不同,刘新风团队所侧重研究点是在不同光的激发下,所产生的热载流子对立方砷化硼的载流子增强作用,而陈刚院士所侧重的是立方砷化硼中杂质原子对。

光学瞬态光栅方法测试原理

光学瞬态光栅方法(TG)可以同时测量多个点上的电和热传输。测试基本原理是利用两个带有波矢子k1和k2的飞秒激光脉冲(泵浦)对立方砷化硼样品产生正弦光干涉,从而激发电子空穴对。再第三个激光脉冲(k3个探针)在延迟时间t后到达样品点,随后衍射到k1−k2+k3的方向,并与第四个脉冲(k4)混合进行外差检测。当光激发载流子发生扩散和复合时,相应的衍射信号随t而衰减,通过衰减的信号计算出的随时间变化的电子空穴分布及载流子迁移率。光激发载流子的扩散和复合导致TG信号的快速指数衰减(t<1ns)后会有热衰变(t>1ns)信号,符号与电子复合衰减相反。热导率则是通过对长时间衰减(红线)的指数拟合直接计算出来的。电衰减对泵浦脉冲的波长很敏感,因此需要使用光学光参量放大器(OPA)来匹配泵浦光束的波长与立方砷化硼的带隙(2.02eV),以避免高能电子的激发,从而导致具有不同散射动力学和迁移率的热电子和空穴。利用这种方法,测得了立方砷化硼的热导率为1200 Wm−1K−1,双极载流子迁移率为1600cm2V−1s−1。

光学瞬态光栅方法原理

光学瞬态光栅方法原理

杂质对立方砷化硼性能的影响研究

陈刚院士团队还阐明了中性杂质和带电杂质对导热率和载流子迁移率的不同影响。与带电杂质相比,中性杂质由于更强的键扰动,对导热率的抑制作用更强,因此电离杂质导致的热导率降低小于中性杂质导致的导热率的降低。由于库仑散射,无论带电杂质的含量有多少,带电杂质都主要促进载流子迁移率的显著下降。中性杂质缺乏库仑势导致较弱的载流子散射,所以在载流子浓度接近1018cm−3中性杂质散射开始显示出影响。

中性杂质和带电杂质对立方砷化硼性能的影响

中性杂质和带电杂质对立方砷化硼性能的影响

小结:高空间分辨率的光学瞬态光栅方法测量所得到的热导率和双极载流子迁移率数据为立方砷化硼同时具备高电子和空穴迁移率提供了有力的证据,并通过研究杂质对立方砷化硼性能影响,表明通过消除缺陷和杂质,立方砷化硼可以表现出高热导热率和高电子和空穴迁移率。使该材料成为最有前景的半导体之一。

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