Wichtige Fortschritte bei Halbleitermaterialien

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Elektronik nächster Generation dank hoher Ladungsträgerbeweglichkeit in kubischem Borarsenid

Forscher der Universität Houston (UH) haben erstmals experimentell festgestellt und am 21.07.2022 veröffentlicht, dass ein kubischer Borarsenidkristall eine hohe Ladungsträgermobilität sowohl für Elektronen als auch für Löcher aufweist – die beiden Wege, auf denen eine Ladung in einem Halbleitermaterial transportiert wird – ein wichtiger Fortschritt für die Elektronik der nächsten Generation bedeutet.

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Während es in früheren Voraussagen hieß, der Kristall könnte gleichzeitig hohe Elektronen- und Löchermobilität aufweisen, zeigt eine der beiden am 22.07.2022 in Science veröffentlichten Arbeiten, dass Forscher die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit bei Raumtemperatur experimentell bestätigen konnten, was die potenzielle Nutzung in kommerziellen Anwendungen erweitert. An der Arbeit waren Forscher aus den gesamten Vereinigten Staaten beteiligt, darunter die University of Houston, das Massachusetts Institute of Technology, die University of Texas at Austin und das Boston College.

In einem begleitenden Artikel in der Science-Ausgabe vom 22.07.2022 wird der Einsatz der Transienten-Reflexionsmikroskopie zur Messung des Kristalls beschrieben, wobei die hohe Mobilität nachgewiesen und in einigen Fällen, wenn ein Laserstrahl mit höherer Energie verwendet wurde, frühere Vorhersagen übertroffen wurden. Diese Arbeit wurde von Forschern der UH und des Nationalen Zentrums für Nanowissenschaften und -technologie in Peking zusammen mit mehreren anderen Einrichtungen in China durchgeführt.

Zhifeng Ren, Direktor des Texas Center for Superconductivity an der UH und korrespondierender Autor beider Arbeiten, sagte, die Arbeit habe wichtige Auswirkungen auf eine Reihe elektronischer und optischer Anwendungen, ähnlich den Fortschritten, die auf die Einführung von Siliziumwafern folgten, die in allen Arten von Elektronik weit verbreitet sind.

Einige Halbleiteranwendungen erfordern ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit – die angibt, wie gut ein Material Wärme leitet – und hoher Elektronen- und Lochbeweglichkeit. Frühere Forschungsarbeiten hatten gezeigt, dass kubisches Borarsenid eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, so dass die hohe ambipolare Mobilität ein entscheidender Fortschritt ist.

„Das Potenzial dieses Materials ist enorm“, sagte Ren, der auch M.D. Anderson Professor für Physik an der UH ist. Während die Arbeiten zur Herstellung größerer Kristalle mit einheitlichen Eigenschaften noch andauern, könnte das Ergebnis einen noch größeren Einfluss auf die Branche haben als der Silizium-Wafer, sagte er.

Das liegt daran, dass bei Halbleitern der Strom sowohl durch Elektronen als auch durch Löcher geleitet werden muss, aber die meisten bekannten Materialien bieten nur für eine Art von Ladungsträger eine hohe Mobilität. Die Gesamteffizienz des Halbleiters wird durch den niedrigeren Wert bestimmt.

„Wenn beide Werte hoch sind, ist das Bauelement effizienter“, so Ren. „Das ist es, was dieses Material so einzigartig macht.

Ren gehörte zu einer Gruppe von Forschern, die 2018 in Science berichteten, dass der Kristall, der aus Bor und Arsen, zwei relativ häufigen Mineralelementen, gezüchtet wurde, eine weitaus höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als herkömmliche Halbleiter. Diese Arbeit baut darauf auf und verwendet Kristalle, die in Rens Labor gezüchtet wurden, um zu zeigen, dass theoretische Vorhersagen über die hohe Mobilität der Substanz experimentell nachgewiesen werden können.

Die Mobilität der Ladungsträger wird in der Einheit cm2V-1s-1 gemessen; die Forscher haben eine Mobilität von 1.600 cm2V-1s-1 ermittelt. Dieser Teil der Arbeit wurde von Gang Chen, Carl Richard Soderberg Professor für Energietechnik am MIT und Mitverfasser der Arbeit, geleitet, der eine optische Transienten-Gitter-Methode zur Messung der elektrischen Mobilität und der Wärmeleitfähigkeit verwendete.

In der zweiten Arbeit berichteten Forscher unter der Leitung von Ren und Jiming Bao von der UH und Xinfeng Liu vom National Center for Nanoscience and Technology in Peking über einen Bereich von etwa 1.500 cm2V-1s-1 bis hin zu 3.000 cm2V-1s-1.

Die Messung der Ladungsträgermobilität wurde dadurch erschwert, dass der Kristall nicht groß und einheitlich war, so dass herkömmliche Messmethoden wie der Hall-Effekt seine Eigenschaften nicht genau bestimmen konnten. Die Forscher stellten fest, dass ionisierte Verunreinigungen die Leistung des Materials durch starke Streuung der Ladungsträger schwächten, während andere Verunreinigungen – in der Arbeit als „neutrale Verunreinigungen“ bezeichnet – weniger Einfluss hatten.

„Die Probe war nicht einheitlich, aber man kann das Potenzial lokal sehen“, sagte Ren. „Wenn man einen Kristall ohne Defekte hätte, könnte die Mobilität möglicherweise viel höher sein als vorhergesagt. Wir forschen weiter, um das herauszufinden.“
Die Messungen wurden mit unterschiedlichen Methoden in Labors der UH und des MIT durchgeführt. In der zweiten Arbeit beschreiben Forscher der UH und sechs chinesischer Universitäten und Institutionen die Verwendung der transienten Reflektivitätsmikroskopie zur Messung der Elektronen- und Lochmobilität.

Bao, Professor für Elektrotechnik an der UH und leitender Forscher am Texas Center for Superconductivity, sagte, dass die Forscher Laserpulse verwendeten, um Ladungsträger in der Probe anzuregen, um ihre Diffusion zu überwachen, und dabei einen entscheidenden Unterschied zwischen dem kubischen Borarsenidkristall und den meisten halbleitenden Materialien entdeckten. In Silizium zum Beispiel bewegen sich Elektronen etwa viermal schneller als Löcher.

In diesem Fall bewegen sich die Löcher schneller als die Elektronen“, sagte er. Aber sowohl Elektronen als auch Löcher wiesen eine ungewöhnlich hohe Mobilität auf, was die Gesamtleistung des Materials verbesserte.

Bao führte die höchsten Messwerte, bei denen eine Mobilität von weit über 1.600 cm2V-1s-1 festgestellt wurde, auf „heiße Elektronen“ zurück, die die durch den Laserpuls erzeugte Wärme bzw. Energie länger als in den meisten anderen Materialien aufrechterhalten. Das Gleiche gelte für die Löcher in dem Material, so Bao.

Die Struktur des kubischen Borarsenidkristalls erschwert den Ladungsträgern die Abkühlung, so dass sie die Wärme – und die daraus resultierende hohe Mobilität – länger beibehalten. Die Forscher berichteten über eine Mobilität, die den vorhergesagten Werten und denen, die von Chens Labor gefunden wurden, ähnlich war, stellten aber fest, dass zusätzliche Experimente eine Mobilität von mehr als 3.000 cm2V-1s-1 ergaben, die sie den heißen Elektronen zuschrieben.

Die Ergebnisse hingen zum Teil davon ab, dass ein Abschnitt des Kristalls mit wenigen oder keinen Verunreinigungen gemessen wurde, so Bao. „Die Probe war nicht einheitlich, und wir fanden die höchste Mobilität an Stellen mit den wenigsten Verunreinigungen“.

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