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原創(chuàng)丨愛(ài)吃帶魚的小分子（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
具有高導(dǎo)熱性和電子空穴遷移率的半導(dǎo)體對(duì)于電子和光子器件以及基礎(chǔ)研究非常重要。其中立方砷化硼(c-BAs)預(yù)計(jì)會(huì)同時(shí)表現(xiàn)出>1000 cm2/(V?s)高電子和空穴遷移率，使c-BAs成為下一代電子產(chǎn)品的有希望的候選者。
散熱問(wèn)題，長(zhǎng)期制約著芯片的運(yùn)算速度。
微電子和光電器件的性能得益于同時(shí)具有高電子和空穴遷移率以及高導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體。然而，迄今為止，同時(shí)滿足高遷移率和高熱導(dǎo)率測(cè)量尚未發(fā)現(xiàn)此類材料。發(fā)現(xiàn)高導(dǎo)熱、高電子遷移率和高空穴遷移率的半導(dǎo)體材料，厘清其背后機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)于發(fā)展芯片電子材料至關(guān)重要。
2018年7月5日，來(lái)自MIT和UCLA在內(nèi)的美國(guó)十所頂尖高校就硼化砷超高熱導(dǎo)性同一主題在Science同一天發(fā)表3篇文章，硼化砷顛覆了超晶格熱導(dǎo)率的傳統(tǒng)理論，即將在導(dǎo)熱材料中掀起血雨腥風(fēng)。
第一性原理計(jì)算預(yù)測(cè)立方砷化硼(c-BAs)應(yīng)該具有約1400 Wm-1K-1的極高室溫?zé)釋?dǎo)率，是Si的10倍，c-BA同時(shí)具有較高的室溫電子和空穴遷移率，分別為μe = 1400 cm2V-1s-1和μh = 2100 cm2V-1s-1。這種高值源于其不尋常的聲子分散和化學(xué)鍵合特性，可同時(shí)促進(jìn)弱三聲子和四聲子散射，而如此高的電子和空穴遷移率的主要原因是c-BAs中極性光學(xué)聲子的高能量和低占有率，這導(dǎo)致了弱載流子散射。
雖然預(yù)測(cè)了高性能，但是實(shí)驗(yàn)測(cè)量并未發(fā)現(xiàn)c-BA的高遷移率。
c-BAs晶體的初始質(zhì)量受到較大且不均勻的缺陷濃度的限制。由于傳統(tǒng)的體傳輸測(cè)量方法只能獲得缺陷限制行為而不是固有特性，因此c-BAs晶體中的高缺陷密度阻止了此類測(cè)量評(píng)估預(yù)測(cè)的高遷移率的有效性。此外，先前的研究表明，熱導(dǎo)率和電子遷移率之間似乎沒(méi)有很強(qiáng)的關(guān)系，獲得的遷移率遠(yuǎn)低于計(jì)算的遷移率，并且與測(cè)量的熱導(dǎo)率沒(méi)有明顯的相關(guān)性。因此：
i) 從頭計(jì)算和實(shí)驗(yàn)之間的差異并不清晰；
ii) 熱特性和電特性之間的去耦的起源尚未確定。
有鑒于此，MIT陳剛院士、休斯頓大學(xué)任志鋒教授等使用光學(xué)瞬態(tài)光柵技術(shù)（TG）測(cè)量c-BAs單晶同一點(diǎn)的電遷移率和熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)證實(shí)c-BAs（圖1）同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和高電子和空穴遷移率。在相同位置測(cè)量得到1200 W/(m·K)熱導(dǎo)率和1600cm2 V?1s?1的雙極遷移率。理論表明電離雜質(zhì)強(qiáng)烈散射電荷載流子，而中性雜質(zhì)主要負(fù)責(zé)熱導(dǎo)率降低。這一發(fā)現(xiàn)確立了c-BA作為唯一已知的具有這種理想特性組合的半導(dǎo)體，并將其置于下一代微電子應(yīng)用的理想材料之列。
這是陳剛院士與任志峰教授于2018年發(fā)表cBA開(kāi)創(chuàng)性Science論文之后，取得的又一次重大突破！陳剛院士在近兩年的如此逆境中，還堅(jiān)持在科研上取得重大突破，其追求真理的科學(xué)精神，令人高山仰止！
圖1：c-BAs單晶的光學(xué)表征
主要結(jié)論：
1. 熱導(dǎo)率（κ）：通過(guò)求解c-BAs的聲子Boltzmann傳輸方程來(lái)計(jì)算包括三和四聲子散射以及B或As位點(diǎn)上的中性和帶電IV族雜質(zhì)的聲子散射。發(fā)現(xiàn)κ隨著雜質(zhì)和主體原子之間質(zhì)量差的增加而減小。在雜質(zhì)電離時(shí)，雜質(zhì)(IV)的價(jià)電子數(shù)與B或As(III或V)的價(jià)電子數(shù)相匹配，導(dǎo)致鍵擾動(dòng)比中性雜質(zhì)的更弱。因此，電離雜質(zhì)引起的熱導(dǎo)率降低小于非電離雜質(zhì)引起的熱導(dǎo)率降低，特別是當(dāng)取代雜質(zhì)與主體原子質(zhì)量相似時(shí)。
2. 雙極流動(dòng)性（μa）：使用從頭算計(jì)算來(lái)研究IV族雜質(zhì)對(duì)c-BA的RT μa的影響（圖 3），發(fā)現(xiàn)與帶電雜質(zhì)的長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用是帶邊緣附近的主要散射機(jī)制。中性雜質(zhì)缺乏庫(kù)侖勢(shì)會(huì)導(dǎo)致較弱的載流子散射，導(dǎo)致μa減小，然而，無(wú)論雜質(zhì)的質(zhì)量如何，帶電雜質(zhì)的μa都會(huì)顯著降低。與帶電雜質(zhì)相比，中性雜質(zhì)更強(qiáng)烈地抑制κ，因?yàn)殒I擾動(dòng)更強(qiáng)。由于庫(kù)侖散射，帶電雜質(zhì)主要有助于雙極流動(dòng)性減少。
圖2：c-BAs的熱和電子傳輸測(cè)量
圖3：雜質(zhì)對(duì)熱導(dǎo)率和遷移率影響的理論計(jì)算
總之，高空間分辨率TG提供了c-BAs中同時(shí)具有高電子和空穴遷移率的明確證據(jù)，并證明通過(guò)消除缺陷和雜質(zhì)，c-BAs可以表現(xiàn)出高導(dǎo)熱性和高電子和空穴遷移率。此外，觀察到的局部熱導(dǎo)率和遷移率之間的弱相關(guān)性是由中性和電離雜質(zhì)對(duì)這些量的不同影響引起的。
值得一提的是，同一天，國(guó)家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)，休斯敦大學(xué)包吉明、任志鋒等人通過(guò)超快載流子擴(kuò)散顯微成像系統(tǒng)，首次測(cè)定超高熱導(dǎo)率半導(dǎo)體-砷化硼的載流子遷移率，相關(guān)成果背靠背發(fā)表于當(dāng)天Science雜志。
參考文獻(xiàn)：
【1】JUNGWOOSHIN et al. High ambipolar mobility in cubic boron arsenide. Science 377(6604), 437-440 (2022).
DOI: 10.1126/science.abn4290
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4290
【2】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
