國家納米科學中心劉新風研究員團隊聯(lián)合休斯頓大學包吉明團隊和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重要進展，為其在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導和幫助。相關(guān)研究成果發(fā)表在 Science 雜志上。

隨著芯片集成規(guī)模的進一步增大，熱量管理成為制約芯片性能越來越重要的因素。受散熱問題的困擾，人們不得不犧牲處理器的運算速度。從2004年后，CPU的主頻便止步在了4GHz，只能通過增加核數(shù)來進一步提高整體的運算速度，然而這一策略對于單線程的算法卻是無效的。2018年，具有超高熱導率的半導體c-BAs的成功制備引起了人們極大興趣，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不僅具有高的熱導率，由于其超弱的電聲耦合系數(shù)和帶間散射，理論預測c-BAs還同時具有非常高的電子遷移率（1400 cm2V-1s-1）和空穴遷移率（2110 cm2V-1s-1），這在半導體材料系統(tǒng)中是非常罕見的，有望將其應(yīng)用在集成電路領(lǐng)域來緩解散熱的困難并且能夠?qū)崿F(xiàn)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非常重要的意義。

雖然c-BAs被制備出來，但樣品中廣泛分布著不均勻的雜質(zhì)與缺陷，為其遷移率的測量帶來極大的困難。一般可以通過霍爾效應(yīng)，測定樣品的載流子的遷移率，然而電極的大小制約著其空間分辨能力，并直接影響到測試的結(jié)果。2021年，利用霍爾效應(yīng)測試的c-BAs單晶的遷移率報道結(jié)果僅為22 cm2V-1s-1,與理論預測結(jié)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(guān)鍵。

通過大量的樣品反復比較，研究團隊確定了綜合應(yīng)用XRD、拉曼和帶邊熒光信號來判斷樣品純度的方法，并挑選出了具有銳利XRD衍射（0.02度）窄拉曼線寬（0.6波數(shù)），接近0的拉曼本底，極微弱帶邊發(fā)光的高純樣品。進一步，研究團隊自主搭建了超快載流子擴散顯微成像系統(tǒng)。通過聚焦的泵浦光激發(fā)，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，探測靈敏度達到了10-5量級, 空間分辨能力達23 nm。利用該測量系統(tǒng)，詳細比較了具有不同雜質(zhì)濃度的c-BAs的載流子擴散速度，首次在高純樣品區(qū)域檢測到其雙極性遷移率約 1550 cm2V-1s-1, 這一測量結(jié)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(fā)，研究團隊還發(fā)現(xiàn)了長達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，以及其超高的熱導率，表明其可以廣泛應(yīng)用在光電器件、電子元件中。該研究工作厘清了理論和實驗之間存在的巨大差異的具體原因，為該材料的應(yīng)用指明了方向。

國家納米科學中心副研究員岳帥為文章第一作者，劉新風研究員為通訊作者。文章的共同第一作者為休斯頓大學田非博士（現(xiàn)中山大學教授），共同通訊作者為休斯頓大學包吉明教授和任志鋒教授。該研究工作得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類），國家自然科學基金委項目，萬人計劃青年拔尖人才計劃，科技部重點研發(fā)計劃，科學院儀器研制項目等項目的大力支持。

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(fā)波長532 nm）；（D）極微弱的帶邊發(fā)光(激發(fā)波長593 nm)及熒光成像(插圖，標尺為10微米)。

圖2. 瞬態(tài)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(fā)波長為600 nm探測波長為800 nm；（B）不同時刻的瞬態(tài)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(qū)間。