立方砷化硼的高双极性迁移率

立方砷化硼的高双极性迁移率

文章出处：Jungwoo Shin, Geethal Amila Gamage, Zhiwei Ding, Ke Chen, Fei Tian, Xin Qian, Jiawei Zhou, Hwijong Lee, Jianshi Zhou, Li Shi, Thanh Nguyen, Fei Han, Mingda Li, David Broido, Aaron Schmidt, Zhifeng Ren, Gang Chen. High ambipolar mobility in cubic boron arsenide. Science 2022, 377, 437-440.

微电子和光电子器件的性能得益于同时具有高电子和空穴迁移率和高热导率的半导体。然而，迁移率和热导率测量到目前为止还没有确定这样的材料。例如，应用最广泛的两种半导体，硅和砷化镓(GaAs)，室温(RT)电子迁移率分别为1400 cm2·V-1·s-1和8500 cm2·V-1·s-1。然而，它们对应的RT空穴迁移率(Si为450 cm2·V-1·s-1，GaAs为400 cm2·V-1·s-1)和热导率(Si为140 W·m-1·K-1，GaAs为45 W·m-1·K-1)低于预期。尽管石墨烯具有高的电子和空穴迁移率以及高的面内热导率，但其跨面热传导较低。金刚石具有最高的RT热导率和优良的电子和空穴迁移率，但其5.4 eV的大能带隙阻碍了其作为半导体材料的有效掺杂和利用。最近，第一性原理计算预测立方砷化硼(c-BAs)具有极高的RT热导率，约为1400 W·m-1·K-1，是Si的10倍。这个高值源于它不寻常的声子色散和化学键特性，同时促进弱的三声子和四声子散射。这一预测现已被实验证明，在κRT = 1000-1300 W·m-1·K-1范围内测量到的c-BAs热导率表明，c-BAs是除金刚石外最具导热性的半导体。

第一原理计算还预测，c-BAs应该同时具有较高的RT电子和空穴迁移率，μe =1400 cm2·V-1·s-1，μh = 2100 cm2·V-1·s-1。造成这种高电子和空穴迁移率的主要原因是c-BAs中极性光学声子的高能量和低占用，这导致了弱载流子散射。这一特性将c-BAs与其它III-V半导体区分开，其它III-V半导体具有较高的电子迁移率，但空穴迁移率低得多，其中μe/μh大于10-100，除了AlSb (μe = 200 cm2·V-1·s-1，μh = 400 cm2·V-1·s-1)。

尽管有很好的理论预测，实验测量并没有发现BAs的高迁移率。与其它III-V半导体的发展历史类似，c-BAs晶体的初始质量受到较大且不均匀的缺陷浓度的限制。由于传统的散体输运测量方法只能获得缺陷限制行为而不能获得固有性质，c-BAs晶体中的高缺陷密度阻碍了这种测量方法对预测的高迁移率的有效性进行评估。此外，以往的研究表明，热导率和电子迁移率之间似乎没有很强的关系。Kim课题组测定了c-BAs微样品的κRT = 186 W·m-1·K-1，估计μh = 400 cm2·V-1·s-1。Chen课题组测量了毫米尺度c-BAs晶体的κRT =920 W·m-1·K-1和μh = 22 cm2·V-1·s-1。得到的迁移率比计算的迁移率低得多，并且与实测的热导率没有明显的相关性。(i) 从头计算和实验之间的差异，以及(ii) 热学和电学特性之间的解耦，其根源尚未被确定。

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高空间分辨率的热重测量为c-BAs中同时存在高电子和空穴迁移提供了明确的证据，并表明通过消除缺陷和杂质，c-BAs可以表现出高的热导率和高电子和空穴迁移率。此外，观测到的局部热导率和迁移率之间的微弱相关性是由中性和电离杂质对这些量的不同影响造成的。这种电子和热特性的显著结合，以及与常见半导体(如Si和GaAs)密切匹配的热膨胀系数和晶格常数，使c-BAs成为一种有前途的材料，用于集成当前和未来的半导体制造工艺，并解决下一代电子的热管理的重大挑战。