國家納米科學(xué)中心劉新風(fēng)研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合休斯頓大學(xué)包吉明團(tuán)隊(duì)和任志鋒團(tuán)隊(duì)在超高熱導(dǎo)率半導(dǎo)體-立方砷化硼（c-BAs）單晶的載流子擴(kuò)散動力學(xué)研究方面取得重要進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(yùn)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(jìn)一步提高整體的運(yùn)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(dǎo)率的半導(dǎo)體c-BAs的成功制備引起了人們極大興趣，其樣品實(shí)測最高室溫?zé)釋?dǎo)率超過1000 Wm-1K-1，約為Si的十倍。c-BAs不僅具有高的熱導(dǎo)率，由于其超弱的電聲耦合系數(shù)和帶間散射，理論預(yù)測c-BAs還同時(shí)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(dǎo)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(yùn)算速度，因而通過實(shí)驗(yàn)來確認(rèn)這種高熱導(dǎo)率的半導(dǎo)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(bào)道結(jié)果僅為22 cm2V-1s-1,與理論預(yù)測結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。具有更高的空間分辨能力的原位表征方法是確認(rèn)c-BAs本征遷移率的關(guān)鍵。

通過大量的樣品反復(fù)比較，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)自主搭建了超快載流子擴(kuò)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(shí)時(shí)觀測載流子的分布情況并追蹤其傳輸過程，探測靈敏度達(dá)到了10-5量級, 空間分辨能力達(dá)23 nm。利用該測量系統(tǒng)，詳細(xì)比較了具有不同雜質(zhì)濃度的c-BAs的載流子擴(kuò)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(yù)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(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了長達(dá)20ps的熱載流子擴(kuò)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(xué)中心副研究員岳帥為文章第一作者，劉新風(fēng)研究員為通訊作者。文章的共同第一作者為休斯頓大學(xué)田非博士（現(xiàn)中山大學(xué)教授），共同通訊作者為休斯頓大學(xué)包吉明教授和任志鋒教授。該研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類），國家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目，萬人計(jì)劃青年拔尖人才計(jì)劃，科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，科學(xué)院儀器研制項(xiàng)目等項(xiàng)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(biāo)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(kuò)散。（A）實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，激發(fā)波長為600 nm探測波長為800 nm；（B）不同時(shí)刻的瞬態(tài)反射顯微成像（標(biāo)尺1微米）；（C）典型的載流子動力學(xué)；（D）0.5 ps的二維高斯擬合（E）不同時(shí)刻的載流子分布方差隨時(shí)間的演化及載流子遷移率，誤差標(biāo)尺代表95%置信擬合區(qū)間。