L’arséniure de bore cubique (c-BA), un semi-conducteur à conductivité thermique ultra-élevée comparable au diamant, a attiré l’attention depuis 2018, de nombreuses personnes se demandant s’il convient aux transistors.
Les chercheurs essayant de répondre à cette question ont mesuré l’effet Hall pour un monocristal de c-BA en 2021, obtenant le chiffre de mobilité décevant de 22 cm2V-1s-1. De plus, leurs résultats ont montré un énorme écart entre la valeur de mobilité théorique de 1400 cm2V-1s-1 pour les électrons et 2110 cm2V-1s-1 pour les trous.
Dans une étude publiée dans La science, le groupe de Liu Xinfeng du National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) et des collaborateurs de l’Université de Houston ont maintenant obtenu des chiffres précis sur la mobilité des c-BA. Ils ont constaté que la mobilité ambipolaire des c-BA est d’environ 1550 cm2V-1s-1 et de plus de 3000 cm2V-1s-1 pour les porteurs chauds à mobilité beaucoup plus élevée.
Les chercheurs ont utilisé une technique optique distinctive appelée microscopie à réflectivité transitoire pour surveiller la diffusion des porteurs dans les c-BA.
Cette configuration technique, construite par Yue Shuai du groupe de Liu, fournit une visualisation in situ de la diffusion des porteurs avec une résolution spatio-temporelle en nanomètres et en femtosecondes. Les porteurs ont été excités par un laser femtoseconde, qui a créé un changement de réflectivité transitoire qui a été détecté par un laser femtoseconde temporisé (faisceau sonde).
Le faisceau de la sonde a été élargi à un large champ d’éclairage ; ainsi, la dynamique spatio-temporelle des porteurs a pu être visualisée directement. En ajustant l’énergie du laser d’excitation au-dessous ou au-dessus de la bande interdite, les porteurs intrinsèques et les porteurs chauds pourraient être excités, respectivement. La mobilité intrinsèque des porteurs d’environ 1550 cm2V-1s-1 a été mesurée et correspondait bien aux prédictions théoriques.
En raison du couplage électron-phonon et phonon-phonon ultrafaible, un porteur chaud de longue durée avec une mobilité supérieure à 3000 cm2V-1s-1 a été obtenu.
Les chercheurs ont déclaré que l’énorme différence entre la mesure de l’effet Hall et la mesure optique était due à la large distribution des défauts dans l’échantillon. En d’autres termes, seule une petite région était suffisamment pure pour la diffusion des porteurs.
« Après un an de travail acharné, nous avons finalement trouvé la région », a déclaré Yue, premier auteur de l’article. « C’était trop petit pour la mesure de Hall. »
Liu a déclaré que la mobilité élevée et la conductivité thermique ultra-élevée des c-BA en font un « matériau prometteur » dans le vaste domaine des circuits électriques et contribueront à améliorer les vitesses du processeur.
Shuai Yue et al, Mobilité ambipolaire élevée dans l’arséniure de bore cubique révélée par microscopie à réflectivité transitoire, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abn4727