这将是下一代半导体材料的最佳选择？

在一项证实其作为下一代半导体材料的前景的研究中，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员直接可视化了立方砷化硼单晶（cubic boron arsenide single crystals）的光载流子传输特性。

“我们能够可视化样品中电荷的移动方式，”工程学院机械工程助理教授 Bolin Liao 说。他和他的团队使用美国一所大学唯一运行的扫描超快电子显微镜 (SUEM) 装置，能够在这种研究相对较少的 III-V 半导体材料中制作光激发电荷的产生和传输过程的“movies” ，它最近被认为具有非凡的电气和热性能。在这个过程中，他们发现了另一种有益的特性，增加了该材料作为下一个伟大半导体的潜力。

他们的研究与休斯顿大学物理学教授Zhifeng Ren团队合作进行，该团队专门制造高质量的立方砷化硼单晶，发表在《Matter》杂志上。

砷化硼被视为替代计算机世界主要半导体材料硅的潜在候选者，因为它具有良好的性能。一方面，随着硅的电荷迁移率提高，它很容易传导电流（电子及其带正电荷的对应物，“空穴”）。然而，与硅不同，它也很容易导热。

“这种材料的导热率实际上是硅的 10 倍，”廖说。他解释说，随着电子元件变得更小、更密集，这种热传导和释放能力尤其重要，并且汇集的热量威胁到设备的性能。

“随着你的手机变得越来越强大，你希望能够散热，否则你就会遇到效率和安全问题，”他说。“对于许多微电子设备来说，热管理一直是一个挑战。”

事实证明，导致这种材料的高导热性的原因也可能导致光载流子的有趣传输特性，即光激发的电荷，例如在太阳能电池中。如果经过实验验证，这将表明立方砷化硼也可以成为光伏和光检测应用的有前途的材料。然而，由于可用的高质量样品尺寸小，直接测量立方砷化硼中的光载流子传输一直具有挑战性。

该研究团队的研究结合了两项壮举：休斯顿大学团队的晶体生长技能和加州大学圣巴巴拉分校的成像能力。结合扫描电子显微镜和飞秒超快激光器的能力，UCSB 团队构建了本质上是一款速度极快、分辨率极高的相机。

“电子显微镜具有非常好的空间分辨率——它们可以用亚纳米空间分辨率分辨单个原子——但它们通常非常慢，”廖说，并指出这使得它们非常适合捕捉静态图像。

“通过我们的技术，我们将这种非常高的空间分辨率与超快激光相结合，作为非常快的快门，以获得极高的时间分辨率，”Liao 继续说道。“我们说的是一皮秒——百万分之一秒。所以我们可以制作这些微观能量和电荷传输过程的电影。” 该方法最初是在加州理工学院发明的，后来在 UCSB 从头开始进一步开发和改进，现在是美国大学唯一可操作的 SUEM 设置。

“发生的事情是，我们有一个激发样品的激光脉冲，”Matter 论文的第一作者、研究生研究员 Usama Choudhry 解释说。“你可以把它想象成敲钟；这是一种巨大的噪音，随着时间的推移会慢慢减弱。” 他解释说，当他们“Ringing the Bell”时，第二个激光脉冲聚焦在光电阴极（“电子枪”）上，以产生一个短电子脉冲来对样品进行成像。然后他们随着时间的推移扫描电子脉冲以获得环的全貌。“只需进行大量此类扫描，您就可以获得电子和空穴如何被激发并最终恢复正常的电影，”他说。

他们在激发样品并观察电子返回其原始状态时观察到的事情之一是“热”电子持续多长时间。

“我们发现，令人惊讶的是，这种材料中被光激发的‘热’电子可以比传统半导体持续更长的时间，”廖说。这些“热”载流子被认为可以持续超过 200 皮秒，这一特性与材料的高导热性相同的特性有关。这种在更长时间内承载“热”电子的能力具有重要意义。

“例如，当你用光激发典型太阳能电池中的电子时，并不是每个电子都具有相同的能量，”乔杜里解释说。“高能电子的寿命很短，而低能电子的寿命很长。” 他继续说，在从典型的太阳能电池中收集能量时，只有低能电子被有效收集。高能量的往往会以热量的形式迅速失去能量。由于高能载流子的持久性，如果将这种材料用作太阳能电池，则可以有效地从中获取更多能量。

随着砷化硼在三个相关领域——电荷迁移率、热导率和热光载流子传输时间——击败硅，它有可能成为电子世界下一个最先进的材料。然而，在它与硅竞争之前，它仍然面临着巨大的障碍——大量制造高质量的晶体——大量的硅可以相对便宜且高质量地制造出来。但廖并没有看到太大的问题。

“由于多年的投资，现在可以常规使用硅；人们在 1930 年代和 40 年代左右开始开发硅，”他说。“我认为，一旦人们认识到这种材料的潜力，就会付出更多努力来寻找种植和使用它的方法。UCSB 在半导体开发方面拥有强大的专业知识，实际上在应对这一挑战方面处于独特的地位。”

在 UCSB 开展的工作得到了美国能源部基础能源科学办公室的部分支持，奖励编号为 DE-SC0019244，用于开发 SUEM，美国陆军研究办公室的奖励编号为 W911NF-19-1- 0060 用于研究新兴材料中的光载流子动力学。休斯顿大学砷化硼晶体的生长得到了美国海军研究办公室的支持，奖励编号为 N00014-16-1-2436。