Dans une étude qui confirme sa promesse en tant que matériau semi-conducteur de nouvelle génération, les chercheurs de l’UC Santa Barbara ont directement visualisé les propriétés de transport des photoporteurs des monocristaux d’arséniure de bore cubique.
« Nous avons pu visualiser comment la charge se déplace dans notre échantillon », a déclaré Bolin Liao, professeur adjoint de génie mécanique au College of Engineering. En utilisant la seule configuration de microscopie électronique ultrarapide à balayage (SUEM) en fonctionnement dans une université américaine, lui et son équipe ont pu réaliser des « films » des processus de génération et de transport d’une charge photoexcitée dans ce matériau semi-conducteur III-V relativement peu étudié. , qui a récemment été reconnu comme ayant des propriétés électriques et thermiques extraordinaires. Dans le processus, ils ont trouvé une autre propriété bénéfique qui ajoute au potentiel du matériau en tant que prochain grand semi-conducteur.
Leur recherche, menée en collaboration avec le groupe du professeur de physique Zhifeng Ren à l’Université de Houston, spécialisé dans la fabrication de monocristaux d’arséniure de bore cubique de haute qualité, apparaît dans la revue Question.
‘Sonner la cloche’
L’arséniure de bore est considéré comme un candidat potentiel pour remplacer le silicium, le matériau semi-conducteur de base du monde informatique, en raison de ses performances prometteuses. D’une part, avec une mobilité de charge améliorée par rapport au silicium, il conduit facilement le courant (les électrons et leur contrepartie chargée positivement, les « trous »). Cependant, contrairement au silicium, il conduit également la chaleur avec facilité.
« Ce matériau a en fait une conductivité thermique 10 fois plus élevée que le silicium », a déclaré Liao. Cette capacité de conduction et de libération de la chaleur est particulièrement importante car les composants électroniques deviennent plus petits et plus denses, et la chaleur accumulée menace les performances des appareils, a-t-il expliqué.
« Au fur et à mesure que vos téléphones portables deviennent plus puissants, vous voulez pouvoir dissiper la chaleur, sinon vous avez des problèmes d’efficacité et de sécurité », a-t-il déclaré. « La gestion thermique a été un défi pour de nombreux dispositifs microélectroniques. »
Il s’avère que ce qui donne lieu à la conductivité thermique élevée de ce matériau peut également conduire à des propriétés de transport intéressantes des photoporteurs, qui sont les charges excitées par la lumière, par exemple, dans une cellule solaire. Si cela était vérifié expérimentalement, cela indiquerait que l’arséniure de bore cubique peut également être un matériau prometteur pour les applications photovoltaïques et de détection de la lumière. Cependant, la mesure directe du transport de photoporteurs dans l’arséniure de bore cubique a été difficile en raison de la petite taille des échantillons de haute qualité disponibles.
L’étude de l’équipe de recherche combine deux exploits : les compétences en croissance cristalline de l’équipe de l’Université de Houston et les prouesses en imagerie de l’UC Santa Barbara. Combinant les capacités du microscope électronique à balayage et des lasers ultrarapides femtoseconde, l’équipe de l’UCSB a construit ce qui est essentiellement une caméra extrêmement rapide et d’une résolution exceptionnellement élevée.
« Les microscopes électroniques ont une très bonne résolution spatiale – ils peuvent résoudre des atomes uniques avec leur résolution spatiale inférieure au nanomètre – mais ils sont généralement très lents », a déclaré Liao, notant que cela les rend excellents pour capturer des images statiques.
« Avec notre technique, nous couplons cette résolution spatiale très élevée avec un laser ultrarapide, qui agit comme un obturateur très rapide, pour une résolution temporelle extrêmement élevée », a poursuivi Liao. « Nous parlons d’une picoseconde, un millionième de millionième de seconde. Nous pouvons donc faire des films de ces processus microscopiques de transport d’énergie et de charge. » Inventée à l’origine à Caltech, la méthode a été développée et améliorée à partir de zéro à l’UCSB et est maintenant la seule configuration SUEM opérationnelle dans une université américaine.
« Ce qui se passe, c’est que nous avons une impulsion de ce laser qui excite l’échantillon », a expliqué le chercheur étudiant diplômé Usama Choudhry, l’auteur principal de l’article Matter. « Vous pouvez y penser comme sonner une cloche ; c’est un bruit fort qui diminue lentement avec le temps. » Alors qu’ils «sonnent la cloche», a-t-il expliqué, une deuxième impulsion laser est focalisée sur une photocathode («canon à électrons») pour générer une courte impulsion électronique pour imager l’échantillon. Ils scannent ensuite l’impulsion électronique au fil du temps pour obtenir une image complète de l’anneau. « Juste en prenant beaucoup de ces scans, vous pouvez obtenir un film sur la façon dont les électrons et les trous s’excitent et finissent par revenir à la normale », a-t-il déclaré.
Parmi les choses qu’ils ont observées en excitant leur échantillon et en regardant les électrons revenir à leur état d’origine, il y a la durée de persistance des électrons « chauds ».
« Nous avons découvert, de manière surprenante, que les électrons » chauds « excités par la lumière dans ce matériau peuvent persister beaucoup plus longtemps que dans les semi-conducteurs conventionnels », a déclaré Liao. Ces porteurs « chauds » ont persisté pendant plus de 200 picosecondes, une propriété liée à la même caractéristique qui est responsable de la conductivité thermique élevée du matériau. Cette capacité à héberger des électrons « chauds » pendant des durées beaucoup plus longues a des implications importantes.
« Par exemple, lorsque vous excitez les électrons d’une cellule solaire typique avec de la lumière, tous les électrons n’ont pas la même quantité d’énergie », a expliqué Choudhry. « Les électrons à haute énergie ont une durée de vie très courte et les électrons à basse énergie ont une durée de vie très longue. » Lorsqu’il s’agit de récolter l’énergie d’une cellule solaire typique, a-t-il poursuivi, seuls les électrons à faible énergie sont efficacement collectés ; ceux à haute énergie ont tendance à perdre leur énergie rapidement sous forme de chaleur. En raison de la persistance des porteurs de haute énergie, si ce matériau était utilisé comme cellule solaire, plus d’énergie pourrait être efficacement récoltée.
Avec l’arséniure de bore battant le silicium dans trois domaines pertinents (mobilité de charge, conductivité thermique et temps de transport du photoporteur chaud), il a le potentiel de devenir le prochain matériau de pointe du monde de l’électronique. Cependant, il doit encore faire face à des obstacles importants – la fabrication de cristaux de haute qualité en grande quantité – avant de pouvoir concurrencer le silicium, dont d’énormes quantités peuvent être fabriquées à relativement bon marché et avec une qualité élevée. Mais Liao ne voit pas trop de problème.
« Le silicium est maintenant disponible de manière routinière grâce à des années d’investissement ; les gens ont commencé à développer du silicium vers les années 1930 et 1940 », a-t-il déclaré. « Je pense qu’une fois que les gens reconnaîtront le potentiel de ce matériau, il y aura plus d’efforts pour trouver des moyens de le développer et de l’utiliser. L’UCSB est en fait particulièrement bien placée pour relever ce défi avec une solide expertise dans le développement de semi-conducteurs. »
Usama Choudhry et al, Diffusion de porteurs chauds persistants dans des monocristaux d’arséniure de bore imagés par microscopie électronique ultrarapide, Question (2022). DOI : 10.1016/j.matt.2022.09.029