Mit ultraschneller Rasterelektronenmikroskopie enthüllen Forscher die Transporteigenschaften von heißen Phototrägern von kubischem Bor

In einer Studie, die sein Versprechen als Halbleitermaterial der nächsten Generation bestätigt, haben Forscher der UC Santa Barbara die Phototrägertransporteigenschaften von Einkristallen aus kubischem Borarsenid direkt visualisiert.

„Wir konnten visualisieren, wie sich die Ladung in unserer Probe bewegt“, sagte Bolin Liao, Assistenzprofessor für Maschinenbau am College of Engineering. Mit dem einzigen an einer US-Universität in Betrieb befindlichen Aufbau für Raster-Ultraschnellelektronenmikroskopie (SUEM) konnten er und sein Team „Filme“ über die Erzeugungs- und Transportprozesse einer durch Licht angeregten Ladung in diesem relativ wenig untersuchten III-V-Halbleitermaterial machen , dessen außergewöhnliche elektrische und thermische Eigenschaften kürzlich anerkannt wurden. Dabei fanden sie eine weitere vorteilhafte Eigenschaft, die das Potenzial des Materials als nächster großer Halbleiter erhöht.

Ihre Forschung, die in Zusammenarbeit mit der Gruppe des Physikprofessors Zhifeng Ren an der University of Houston durchgeführt wurde, die sich auf die Herstellung hochwertiger Einkristalle aus kubischem Borarsenid spezialisiert hat, erscheint in der Zeitschrift Angelegenheit.

„Die Glocke läuten“

Borarsenid wird aufgrund seiner vielversprechenden Leistung als potenzieller Kandidat für den Ersatz von Silizium, dem wichtigsten Halbleitermaterial der Computerwelt, betrachtet. Zum einen leitet es mit einer verbesserten Ladungsmobilität gegenüber Silizium problemlos Strom (Elektronen und ihre positiv geladenen Gegenstücke, „Löcher“). Im Gegensatz zu Silizium leitet es jedoch auch problemlos Wärme.

„Dieses Material hat tatsächlich eine zehnmal höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium“, sagte Liao. Diese Fähigkeit zur Wärmeleitung und -abgabe ist besonders wichtig, da elektronische Komponenten immer kleiner und dichter gepackt werden und Wärmestaus die Leistung der Geräte bedrohen, erklärte er.

„Wenn Ihre Mobiltelefone leistungsfähiger werden, möchten Sie in der Lage sein, die Wärme abzuleiten, sonst haben Sie Effizienz- und Sicherheitsprobleme“, sagte er. „Das Wärmemanagement war für viele mikroelektronische Geräte eine Herausforderung.“

Was die hohe Wärmeleitfähigkeit dieses Materials bewirkt, kann auch zu interessanten Transporteigenschaften von Photocarriern führen, also den durch Licht angeregten Ladungen beispielsweise in einer Solarzelle. Wenn dies experimentell verifiziert wird, würde dies darauf hindeuten, dass kubisches Borarsenid auch ein vielversprechendes Material für Photovoltaik- und Lichtdetektionsanwendungen sein kann. Die direkte Messung des Phototrägertransports in kubischem Borarsenid war jedoch aufgrund der geringen Größe der verfügbaren hochwertigen Proben eine Herausforderung.

Die Studie des Forschungsteams kombiniert zwei Meisterleistungen: Die Fähigkeiten des Teams der University of Houston in der Kristallzüchtung und die Bildgebungsfähigkeiten der UC Santa Barbara. Durch die Kombination der Fähigkeiten des Rasterelektronenmikroskops und der ultraschnellen Femtosekundenlaser baute das UCSB-Team im Wesentlichen eine extrem schnelle Kamera mit außergewöhnlich hoher Auflösung.

„Elektronenmikroskope haben eine sehr gute räumliche Auflösung – sie können einzelne Atome mit ihrer räumlichen Auflösung im Subnanometerbereich auflösen – aber sie sind normalerweise sehr langsam“, sagte Liao und stellte fest, dass sie sich dadurch hervorragend für die Aufnahme statischer Bilder eignen.

„Mit unserer Technik koppeln wir diese sehr hohe räumliche Auflösung mit einem ultraschnellen Laser, der als sehr schneller Verschluss fungiert, für eine extrem hohe zeitliche Auflösung“, fuhr Liao fort. „Wir sprechen von einer Pikosekunde – einem Millionstel einer Millionstel Sekunde. Wir können also Filme von diesen mikroskopischen Energie- und Ladungstransportprozessen machen.“ Ursprünglich am Caltech erfunden, wurde die Methode an der UCSB von Grund auf weiterentwickelt und verbessert und ist heute das einzige operative SUEM-Setup an einer amerikanischen Universität.

„Was passiert, ist, dass wir einen Puls dieses Lasers haben, der die Probe anregt“, erklärte der Doktorand Usama Choudhry, der Hauptautor des Matter-Papiers. „Man kann es sich wie das Läuten einer Glocke vorstellen; es ist ein lautes Geräusch, das mit der Zeit langsam abnimmt.“ Während sie „die Glocke läuten“, erklärte er, wird ein zweiter Laserimpuls auf eine Fotokathode („Elektronenkanone“) fokussiert, um einen kurzen Elektronenimpuls zu erzeugen, um die Probe abzubilden. Anschließend scannen sie den Elektronenpuls über die Zeit, um ein vollständiges Bild des Rings zu erhalten. „Indem Sie einfach viele dieser Scans machen, können Sie einen Film davon bekommen, wie die Elektronen und Löcher angeregt werden und schließlich wieder normal werden“, sagte er.

Während sie ihre Probe anregten und beobachteten, wie die Elektronen in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehrten, beobachteten sie unter anderem, wie lange die „heißen“ Elektronen bestehen bleiben.

„Überraschenderweise fanden wir heraus, dass die durch Licht angeregten ‚heißen‘ Elektronen in diesem Material viel länger bestehen bleiben können als in herkömmlichen Halbleitern“, sagte Liao. Es wurde beobachtet, dass diese „heißen“ Ladungsträger mehr als 200 Pikosekunden bestehen bleiben, eine Eigenschaft, die mit demselben Merkmal zusammenhängt, das für die hohe Wärmeleitfähigkeit des Materials verantwortlich ist. Diese Fähigkeit, „heiße“ Elektronen für wesentlich längere Zeiträume zu beherbergen, hat wichtige Auswirkungen.

„Wenn man zum Beispiel die Elektronen in einer typischen Solarzelle mit Licht anregt, hat nicht jedes Elektron die gleiche Energiemenge“, erklärt Choudhry. „Die hochenergetischen Elektronen haben eine sehr kurze Lebensdauer und die niederenergetischen Elektronen eine sehr lange Lebensdauer.“ Wenn es darum geht, die Energie aus einer typischen Solarzelle zu gewinnen, fuhr er fort, würden nur die niederenergetischen Elektronen effizient gesammelt; Die energiereichen neigen dazu, ihre Energie schnell als Wärme zu verlieren. Durch die Persistenz der Hochenergieträger ließe sich aus diesem Material bei Verwendung als Solarzelle effizient mehr Energie gewinnen.

Da Borarsenid Silizium in drei relevanten Bereichen übertrifft – Ladungsmobilität, Wärmeleitfähigkeit und Transportzeit für heiße Fototräger – hat es das Potenzial, das nächste hochmoderne Material der Elektronikwelt zu werden. Es steht jedoch noch vor erheblichen Hürden – der Herstellung hochwertiger Kristalle in großen Mengen – bevor es mit Silizium konkurrieren kann, von dem enorme Mengen relativ billig und in hoher Qualität hergestellt werden können. Aber Liao sieht kein allzu großes Problem.

„Silizium ist heute aufgrund jahrelanger Investitionen routinemäßig verfügbar; die Menschen begannen in den 1930er und 40er Jahren mit der Entwicklung von Silizium“, sagte er. „Ich denke, sobald die Leute das Potenzial dieses Materials erkennen, werden mehr Anstrengungen unternommen, um Wege zu finden, es zu züchten und zu nutzen. UCSB ist mit seiner starken Expertise in der Halbleiterentwicklung tatsächlich einzigartig für diese Herausforderung positioniert.“