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中國(guó)科學(xué)院國(guó)家納米科學(xué)中心研究員劉新風(fēng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合美國(guó)休斯頓大學(xué)包吉明團(tuán)隊(duì)、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(dòng)力學(xué)研究方面取得進(jìn)展，為其在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)和幫助。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）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的重要因素。受到散熱問題的困擾，不得不犧牲處理器的運(yùn)算速度。2004年后，CPU的主頻便止步于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，而這一策略對(duì)于單線程的算法無效。2018年，具有超高熱導(dǎo)率的半導(dǎo)體c-BAs的成功制備引起了科學(xué)家的興趣，其樣品實(shí)測(cè)最高室溫?zé)釋?dǎo)率超過1000 Wm-1K-1，約為Si的十倍。c-BAs具有高的熱導(dǎo)率以及超弱的電聲耦合系數(shù)和帶間散射，理論預(yù)測(cè)c-BAs同時(shí)具有頗高的電子遷移率（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)中頗為罕見，有望將其應(yīng)用在集成電路領(lǐng)域來緩解散熱困難并可實(shí)現(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重要意義。 

雖然c-BAs已被制備，但樣品中廣泛分布著不均勻的雜質(zhì)與缺陷，對(duì)其遷移率的測(cè)量帶來困難。一般可以通過霍爾效應(yīng)，測(cè)定樣品的載流子的遷移率，而電極的大小制約其空間分辨能力，并直接影響測(cè)試結(jié)果。2021年，利用霍爾效應(yīng)測(cè)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(cè)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，科研團(tuán)隊(duì)確定了綜合應(yīng)用XRD、拉曼和帶邊熒光信號(hào)來判斷樣品純度的方法，并挑選出具有銳利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，科研團(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(chǎng)的探測(cè)光探測(cè)，實(shí)時(shí)觀測(cè)載流子的分布情況并追蹤其傳輸過程，探測(cè)靈敏度達(dá)到10-5量級(jí)，空間分辨能力達(dá)23 nm。利用該測(cè)量系統(tǒng)，研究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(cè)到其雙極性遷移率約1550 cm2V-1s-1，這一測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值（1680 cm2V-1s-1）非常接近。通過高能量（3.1 eV，400 nm）光子激發(fā)，研究還發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)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超高的熱導(dǎo)率，表明可廣泛應(yīng)用于光電器件、電子元件。該研究厘清了理論和實(shí)驗(yàn)之間存在的差異的具體原因，并為該材料的應(yīng)用指明了方向。 

研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃與中科院儀器設(shè)備研制項(xiàng)目等的支持。 

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(zhǎng)532 nm）；（D）極微弱的帶邊發(fā)光（激發(fā)波長(zhǎng)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(zhǎng)為600 nm探測(cè)波長(zhǎng)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(dòng)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。