顆粒在線訊：微電子和光電器件的性能得益于所使用的半導體材料同時具有高電子和空穴遷移率和高導熱系數。隨著技術的進步，微電子和光電器件的性能不斷提升。現階段最常使用是導體如硅（電子遷移率：1400cm2V?1s?1，空穴遷移率：450cm2V?1s?1，導熱系數：140Wm?1K?1）和砷化鎵（電子遷移率：8500cm2V?1s?1，空穴遷移率：400cm2V?1s?1，導熱系數：45Wm?1K?1）已經難以滿足芯片和傳感器的性能提升需求，因此學界和業(yè)界的目光都移向了下一代高載流子遷移率高導熱率的半導體材料。石墨烯和金剛石都是候選材料，但是各自都有難以彌補的缺陷，如石墨烯的片層結構使得石墨烯片與片之間的導熱率和載流子遷移率都很低，而金剛石則是能帶間隙過大導致難以有效摻雜。理論計算表明，立方砷化硼具備下一代半導體材料所需的所有性能，包括高導熱率和高雙極載流子遷移率，但是在實際測量過程中并沒有測得相應的性能。

在近日的Science連續(xù)登出兩篇利用兩種不同方法證實立方砷化硼具備高載流子遷移率性能的文章，分別為國家納米中心劉新風團隊聯合休斯頓大學包吉明教授和任志鋒教授聯合發(fā)表題為“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide revealed by transient reflectivity microscopy”的文章（詳細報道：立方砷化硼，一天2篇Science!）和MIT陳剛院士和休斯頓大學任志鋒教授聯合發(fā)表題為“High ambipolar mobility in cubic boron arsenide”的文章。二者所采用的方法不同卻都檢測到立方砷化硼的高載流子遷移率。這些發(fā)現表明立方砷化硼是唯一已知的具有高載流子遷移率和高導熱率這種理想特性組合的半導體，是下一代微電子應用的理想材料。先前的報道中，主要介紹了劉新風團隊的成果，今天給大家?guī)砹岁悇傇菏砍晒慕榻B。

兩篇Science之間的差異

在之前報道中已經詳細介紹了劉新風團隊所使用的泵浦探針瞬態(tài)反射率方法如何以一種沒有電極接觸的半導體情況下，測試載流子的遷移率（立方砷化硼，一天2篇Science!）。劉新風團隊所使用的測試方法只能測量位點上的載流子遷移率。MIT陳剛院士所采用的光學瞬態(tài)光柵方法（TG）則可以實現同一位點載流子遷移率和熱導率的同時測量。二者在文章的側重也有所不同，劉新風團隊所側重研究點是在不同光的激發(fā)下，所產生的熱載流子對立方砷化硼的載流子增強作用，而陳剛院士所側重的是立方砷化硼中雜質原子對。

光學瞬態(tài)光柵方法測試原理

光學瞬態(tài)光柵方法（TG）可以同時測量多個點上的電和熱傳輸。測試基本原理是利用兩個帶有波矢子k1和k2的飛秒激光脈沖（泵浦）對立方砷化硼樣品產生正弦光干涉，從而激發(fā)電子空穴對。再第三個激光脈沖(k3個探針)在延遲時間t后到達樣品點，隨后衍射到k1?k2+k3的方向，并與第四個脈沖(k4)混合進行外差檢測。當光激發(fā)載流子發(fā)生擴散和復合時，相應的衍射信號隨t而衰減，通過衰減的信號計算出的隨時間變化的電子空穴分布及載流子遷移率。光激發(fā)載流子的擴散和復合導致TG信號的快速指數衰減（t<1ns）后會有熱衰變（t>1ns）信號，符號與電子復合衰減相反。熱導率則是通過對長時間衰減（紅線）的指數擬合直接計算出來的。電衰減對泵浦脈沖的波長很敏感，因此需要使用光學光參量放大器(OPA)來匹配泵浦光束的波長與立方砷化硼的帶隙(2.02eV)，以避免高能電子的激發(fā)，從而導致具有不同散射動力學和遷移率的熱電子和空穴。利用這種方法，測得了立方砷化硼的熱導率為1200 Wm?1K?1，雙極載流子遷移率為1600cm2V?1s?1。

光學瞬態(tài)光柵方法原理

雜質對立方砷化硼性能的影響研究

陳剛院士團隊還闡明了中性雜質和帶電雜質對導熱率和載流子遷移率的不同影響。與帶電雜質相比，中性雜質由于更強的鍵擾動，對導熱率的抑制作用更強，因此電離雜質導致的熱導率降低小于中性雜質導致的導熱率的降低。由于庫侖散射，無論帶電雜質的含量有多少，帶電雜質都主要促進載流子遷移率的顯著下降。中性雜質缺乏庫侖勢導致較弱的載流子散射，所以在載流子濃度接近1018cm?3中性雜質散射開始顯示出影響。

中性雜質和帶電雜質對立方砷化硼性能的影響

小結：高空間分辨率的光學瞬態(tài)光柵方法測量所得到的熱導率和雙極載流子遷移率數據為立方砷化硼同時具備高電子和空穴遷移率提供了有力的證據，并通過研究雜質對立方砷化硼性能影響，表明通過消除缺陷和雜質，立方砷化硼可以表現出高熱導熱率和高電子和空穴遷移率。使該材料成為最有前景的半導體之一。