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原创丨伊伊（学研汇 技术中心）
编辑丨风云
散热问题，长期制约着芯片的运算速度。
发现高导热、高电子迁移率和高空穴迁移率的半导体材料，厘清其背后机制，并实现精准测量，对于发展芯片电子材料至关重要。
砷化硼
2018年，半导体材料立方砷化硼（c-BA）实验证实具有超高室温导热系数（κ>1300 W m−1 K−1）的问世。同时，理论预测表明c-BA的载流子迁移率也很高，电子迁移率为1400 cm2 V−1s−1，空穴迁移率为2100 cm2 V−1s−1；尤其是在1%的小应力下，空穴迁移率可以高达3000 cm2 V−1s−1。同时具有高导热性和载流子迁移率，使c-BA一下子成为电子和光电子学领域的明星材料。
研究认为，这种高载流子迁移率是由于电子-声子相互作用弱和有效质量小引起。然而，理论预测是基于晶体质量高、杂质含量非常低的非缺陷c-BA计算得到，高迁移率精准测量至今未经过实验验证。
图1. Li和Mn层状阴极材料中的应变产生、氧释放和过渡金属迁移。
新思路
有鉴于此，国家纳米科学中心刘新风，休斯敦大学包吉明、任志锋等人通过超快载流子扩散显微成像系统，首次测定超高热导率半导体-砷化硼的载流子迁移率。
研究团队使用近带隙600 nm泵浦脉冲，在高纯样品区域检测到c-BA双极性迁移率约 1550 cm2 V-1 s-1, 测量结果非常接近理论预测值1680 cm2 V-1 s-1。此外，研究人员通过高能（3.1 eV，400 nm）光子激发，发现了长达20 ps的热载流子扩散过程，迁移率>3000 cm2 V-1 s-1。该工作对高载流子迁移率和高热导率的实验证实，将为c-BA在芯片集成电路为代表的高性能电子和光电子器件中的应用起到重大推动作用。
技术方案：
1）将飞秒泵浦脉冲聚焦在c-BA上以光激发电子和空穴，并通过在更大区域（6 毫米直径）上散焦的延时探测脉冲监测激发载流子在空间和时间上的扩散，随后通过爱因斯坦关系从扩散系数D获得了双极迁移率。
2）使用400 nm脉冲作为泵浦，并从白光连续光束中选择带有滤光器的特定波段（585或530 nm）作为探测脉冲来证明c-BA能够产生高迁移率的热载流子。
技术创新性：
1）提出了鉴别高纯度cBA样品的方法
通过对大量样品进行筛选，发现高纯样品具有以下几个特征：锐利XRD衍射（0.02度）、窄拉曼线宽（0.6波数）、接近0的拉曼本底，以及极微弱带边荧光。
2）自主搭建了超快载流子扩散显微成像系统
探测灵敏度达到10-5量级, 空间分辨率达23 nm，超高空间分辨的原位表征方法，为迁移率的精准测量起到了决定性作用。
技术细节
载流子迁移率实验方法
砷化硼双极性扩散系数为~39 cm2 s−1，双极性迁移率为1550±120 cm2V−1s−1，已经十分接近理论预测值。
图1. 立方砷化硼，c-BAs单晶(样品1)晶面(111)表征。
图2. 在样品1中，泵浦-探测瞬态反射率显微技术、载流子动力学和扩散。。
图3. 在样品2中，断面表面上的载流子扩散。
砷化硼的高迁移率特性研究
以400 nm的脉冲作为泵浦，并选择了一个特定的波段(585或530 nm)与白光连续光束的滤光片作为探针脉冲得到的双极性扩散系数为80 cm2s−1，双极性迁移率为3600 cm2V−1s−1。这值远远大于预测的1680 cm2V−1s−1的双极性迁移率。虽然局部应变可以导致载流子迁移率的增强，但通过研究没有发现在这些位置之间不存在明显的拉曼位移，因此，如此高的双极性迁移率可以归因于具有高迁移率的光激发热载流子。
图4. 使用400 nm泵浦和585或530 nm探针测量的瞬态反射率显微表征和载流子扩散
意义
本工作使用不同类型的测量技术实验观察非常纯的立方砷化硼的高双极迁移率，并在几个地方发现了比理论估计更高的双极迁移率，砷化硼的传输特性组合使其成为各种应用的极具前景的半导体关键材料成为可能。
参考文献：
High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy. Science 2022, 377, 433-436.
DOI:10.1126/science.abn4727
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4727
