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伴随着光刻技术的进步，芯片的尺寸也越来越小，但是随之而来的是芯片产热的问题，硅晶体作为半导体晶体虽然有很好的导热率，电子元件尺寸越来越小，电子的流通量越来越大，即使在器件中加入其他冷却技术，硅的散热能力也已经达到极限。立方砷化硼作为一种具有高导热的半导体材料，在电芯片领域是一种十分有潜能的材料。在2018年，已经有实验证明了立方砷化硼的高温导热率>1300Wm−1K−1，于此同时，研究发现立方砷化硼也具有较高的载流子迁移率值，其中，电子的迁移率为1400 cm2V−1s−1，空穴的迁移率为2100 cm2V−1s−1。在随后的研究中，通过理论计算，在1%的小应变下，立方砷化硼具有更高的空穴迁移率，可达>3000 cm2V−1s−1。如此高的载流子迁移率是由于较弱的电子-声子相互作用和较小的有效质量。但是这些计算是基于具有高晶体质量和极低杂质水的平立方砷化硼，在现实中难以实现。以上各种计算和预测都证明了立方砷化硼同时具有的高导热性和载流子迁移率，使这类材料成为电子学和光电子学中展现了巨大的应用潜力。但砷化硼的高迁移率尚未得到实验验证。
近日，中国科学院国家纳米科学中心的刘新风团队和休斯顿大学包吉明教授、任志锋教授合作利用泵浦探针瞬态反射率显微镜证明了立方砷化硼的高载流子迁移率。通过监测了光激发载流子在单晶砷化硼中的扩散，可以有效测量出立方砷化硼中载流子的迁移率。在近带隙600纳米泵浦脉冲下，发现砷化硼的高双极迁移率为1550±120 cm2 V−1s−1，与理论预测一致。在同一地点用400纳米泵进行的实验显示，立方砷化硼单晶展示超过3000 cm2 V−1s−1的载流子迁移率。这一发现证实立方砷化硼的应用潜能，该工作以题为“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy”的文章发表在Science上。
同期Science报道了MIT陈刚院士、休斯顿大学任志锋教授合作使用光学瞬态光栅技术，在立方砷化硼（c-BA）样品的相同位置，实验测量得到1200 W/(m·K)热导率和1600cm2 V−1s−1的双极迁移率。相关论文以“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide”为题，发表在Science上。
载流子迁移率实验方法
霍尔效应是测量载流子迁移率最常用的技术，但它需要在一个相对较大而均匀的样品上有四个电触点。为了适应在小样品尺寸或非均匀材料中的迁移率测量的要求，超快泵浦探针技术已被用于进行具有高空间分辨率的非接触测量。由于单晶砷化硼样品相对较厚，因此测试探测光的反射率而不是透过率。在实验中，将飞秒泵浦脉冲聚焦在单晶砷化硼上，光激发产生电子和空穴，并用延时探针脉冲监测激发载流子在空间和时间上的扩散情况，即不同时间点载流子的在砷化硼上的分布情况，再利用高斯函数很好地拟合。载流子分布的方差随探测光时间延迟增加的线性增加反应载流子扩散的特征，扩散系数D可以使用方程σt2=σ02+αDt的斜率中计算出来，其中α是一个常数。通过计算可以得到了砷化硼双极性扩散系数为~39cm2s−1，双极性迁移率为1550±120 cm2V−1s−1，已经十分接近预测值。
测试实验原理
砷化硼的高迁移率特性研究
我们知道砷化硼的高载流子迁移率是由于其独特的弱电子-声子相互作用和声子-声子散射，这说明砷化硼也可以产生高迁移率的热载流子。为了证明这一点，实验使用了一个400nm的脉冲作为泵浦，并选择了一个特定的波段(585或530nm)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80cm2s−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。
砷化硼高迁移率的测量
小结：该工作通过泵浦探针瞬态反射率显微镜测量了立方砷化硼中双极迁移率，并证实了砷化硼可以达到理论计算的高载流子迁移率。 在研究中还发现了比理论估计更高的双极流动性。 这一工作使砷化硼成为一种具有强吸引力的半导体，可用于各种光电设备。
来源：高分子科学前沿
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