Kubisches Borarsenid (c-BAs), ein Halbleiter mit ultrahoher Wärmeleitfähigkeit, vergleichbar mit Diamant, hat seit 2018 große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und viele fragen sich, ob es für Transistoren geeignet ist.
Forscher, die versuchten, diese Frage zu beantworten, maßen 2021 den Hall-Effekt für einen Einkristall aus c-BAs und erhielten den enttäuschend niedrigen Mobilitätswert von 22 cm2V-1s-1. Darüber hinaus zeigten ihre Ergebnisse eine enorme Diskrepanz zwischen dem theoretischen Mobilitätswert von 1400 cm2V-1s-1 für Elektronen und 2110 cm2V-1s-1 für Löcher.
In einer Studie veröffentlicht in Wissenschaft, Liu Xinfengs Gruppe vom National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) und Mitarbeiter der University of Houston haben nun genaue Mobilitätszahlen für c-BAs erhalten. Sie fanden heraus, dass die ambipolare Mobilität von c-BAs etwa 1550 cm2V-1s-1 und mehr als 3000 cm2V-1s-1 für heiße Ladungsträger mit viel höherer Mobilität beträgt.
Die Forscher verwendeten eine charakteristische optische Technik namens transiente Reflexionsmikroskopie, um die Trägerdiffusion in c-BAs zu überwachen.
Dieser technische Aufbau, der von Yue Shuai aus Lius Gruppe gebaut wurde, bietet eine In-situ-Trägerdiffusionsvisualisierung mit raumzeitlicher Auflösung in Nanometern und Femtosekunden. Ladungsträger wurden durch einen Femtosekundenlaser angeregt, was eine transiente Reflektivitätsänderung erzeugte, die von einem zeitverzögerten Femtosekundenlaser (Sondenstrahl) detektiert wurde.
Der Sondenstrahl wurde auf ein breites Beleuchtungsfeld aufgeweitet; somit konnte die raumzeitliche Dynamik der Träger direkt visualisiert werden. Durch Einstellen der Energie des Anregungslasers unterhalb oder oberhalb der Bandlücke konnten jeweils intrinsische Ladungsträger und heiße Ladungsträger angeregt werden. Die intrinsische Ladungsträgermobilität von etwa 1550 cm2V-1s-1 wurde gemessen und stimmte gut mit den theoretischen Vorhersagen überein.
Aufgrund der ultraschwachen Elektron-Phonon- und Phonon-Phonon-Kopplung wurde ferner ein langanhaltender heißer Ladungsträger mit einer Mobilität von mehr als 3000 cm2V-1s-1 erhalten.
Die Forscher sagten, dass der große Unterschied zwischen der Hall-Effekt-Messung und der optischen Messung auf die weite Verteilung von Defekten in der Probe zurückzuführen sei. Mit anderen Worten, nur ein kleiner Bereich war rein genug für die Trägerdiffusion.
„Nach einem Jahr harter Arbeit haben wir endlich die Region gefunden“, sagte Yue, Erstautorin der Abhandlung. „Er war zu klein für die Hall-Messung.“
Liu sagte, die hohe Mobilität und ultrahohe Wärmeleitfähigkeit von c-BAs mache es zu einem „vielversprechenden Material“ auf dem weiten Gebiet der elektrischen Schaltungen und werde dazu beitragen, die CPU-Geschwindigkeiten zu verbessern.
Shuai Yue et al., Hohe ambipolare Mobilität in kubischem Borarsenid, nachgewiesen durch transiente Reflektivitätsmikroskopie, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abn4727