半導體砷化硼有望應用到集成電路領域

7月22日，國家納米科學中心（以下簡稱納米中心）研究員劉新風研究團隊在《科學》上發表論文，首次在半導體砷化硼中檢測到其電子空穴約化遷移率約 1550 cm²/Vs, 這一測量結果與理論預測值的1680 cm²/Vs 非常接近，有望為半導體砷化硼在集成電路領域的應用提供重要基礎數據指導。

利用瞬態反射顯微成像測試砷化硼的載流子遷移率示意圖

絕佳材料 一票否決？

手機、電腦等電子產品用久了會發燙，是許多人熟悉的體會。隨著芯片集成規模不斷增大，散熱問題成為一個大困擾。科學家把出現這一現象的原因歸結為用來制作芯片的半導體材料硅150W/mK的熱導率不夠高，熱導率越高則散熱越快。

為此，材料學家一直期待能夠找一種具有更高熱導率的材料。然而，遺憾的是，如果用銅的熱導率400W/mK作為一個標準，具有更高熱導率的半導體材料只有氧化石墨烯、碳化硅等寥寥幾種。“氧化石墨烯因為層狀結構的限制，其熱導性質很難應用。碳化硅是三維半導體，現在已經廣泛應用，但熱導率也僅有500W/mK。”劉新風告訴《中國科學報》。

2018年，《科學》上連續發表3篇論文報道，美國科學家用化學氣相沉積方法成功制備出砷化硼。事實上，這一早在1958年提出的化合物卻由于理論預測的熱導率不高，而一直沒能走進人們尋求優秀半導體材料的視野。

直到2013年，隨著計算機算力大幅度提高，一批材料的各項性質得到重新預測。有科學家預測砷化硼的熱導率可以媲美金剛石的2000W/mK，引發了學界和業界的極大興趣。

不僅如此，理論預測還表明，砷化硼還具有非常高電子空穴約化遷移率1680 cm²/Vs。“這決定了半導體材料的邏輯運算速度，遷移率越高，則運算速度越快。”岳帥介紹。

這種同時擁有超高熱導率和遷移率的半導體材料令人期待不已，在集成電路領域的未來應用將同時實現緩解散熱困難和更高的運算速度。

然而，當科學家手握著真實的砷化硼樣品后，實測數據卻令人喜憂參半。喜的是，樣品實測最高熱導率為1300W/mK，已經接近硅的10倍。憂的是，2021年的一項研究表明，其遷移率僅僅22 cm²V^-1s^-1，幾乎一票否決了它在半導體領域的可能應用。

困難重重，攀登高峰

一時間，理論預言和實測不一致的結果讓材料學家有點懵圈：到底是理論預言錯了，還是實測方法有問題？

劉新風介紹，在2021年的這項工作中，科學家采用的是基于“霍爾效應”的傳統電學測量方法。“需要在樣品上制備上百微米的電極，由于現階段制備樣品的雜質很多，會因為空間分辨率不夠而導致誤差。”因此，發展出空間分辨率更高的方法實現砷化硼樣品的遷移率測量，成為全球科學家爭相攀登的科學高峰。

對劉新風課題組而言，這是一項超高難度的工作。首先，樣品制備難。休斯頓大學任志鋒課題組負責摸索實驗條件、生長樣品，劉新風課題組和休斯頓大學包吉明課題組則進行純度表征。幾年下來，他們無數次地重復這個過程，不斷優化實驗條件。

在岳帥的記憶里，苦中作樂是那段時間的真實寫照。“樣品中含有萬分之一的碳雜質，有一次長出一批樣品來，一檢測居然測到了金剛石的信號！”岳帥回憶，“大家高興了好半天，沒想到用生長砷化硼的方法意外收獲了昂貴的鉆石。”

開拓疆野，堅持不懈

樣品制備好之后，接下來需要做的就是挑選高純度樣品。在科研人員看來，這是一個前人從未涉足過的“無人區”。“砷化硼樣品剛剛被制備出來不到5年，它的基本物理性質還不清楚，沒有人知道哪一塊區域是高純度的。”劉新風說。

不過，他們一直認真地享受著開拓知識新疆野的冒險家角色，不斷嘗試通過發光、拉曼光譜、吸收、熱導率、X射線衍射、載流子動力學等方法獲得材料各方面特征，試圖總結出與純度有關的規律。

長時間的重復工作中對大量樣品的反復比較，他們最終確定了綜合應用X射線、拉曼和帶邊熒光信號來判斷樣品純度的方法，并基于這種新方法挑選出了高純樣品。

進一步，科研人員自主搭建了一套全新的“超快載流子擴散顯微成像系統”。這套系統基于光學原理進行檢測，避免了此前需要利用電極導致空間分辨率低的缺陷，實現了實時、原位的觀測。

利用這套測量系統，科研人員系統比較了具有不同雜質濃度的砷化硼電子和空穴的擴散速度，首次在高純樣品區域檢測到其約化遷移率約 1550 cm²V^-1s^-1，與理論預測值非常接近。這無疑給未來砷化硼廣泛應用在光電器件、電子元件中吃了一顆“定心丸”。

因為曾經具有開發科研儀器的經驗，而且課題組也有搭建儀器設備的優良基礎和傳統，從準備到搭建再到獲得完美數據，岳帥只花了2個月時間，感覺“不難”。

不過，科學探索的過程讓岳帥覺得并不輕松。“對于基礎研究，要做真正有用的東西，結果有可能會出得慢一些，但是堅持下來人間值得！”他說，“劉老師也一直鼓勵和支持我們這樣去做，言傳并且身教”。

納米中心副研究員岳帥為文章第一作者，休斯頓大學博士田非（現中山大學教授）為共同第一作者。納米中心研究員劉新風為通訊作者，休斯頓大學教授包吉明和任志鋒為共同通訊作者。