2022-10-24 カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)
チームは、米国の大学で稼働している唯一の走査型超高速電子顕微鏡（SUEM）を使って、光励起電荷の生成・輸送過程を「動画」にすることができた。この比較的研究が進んでいないIII-V族半導体材料は、最近、並外れた電気・熱特性を有することが認識されつつある。その過程で、彼らは、この材料が次の偉大な半導体となる可能性を秘めた、もうひとつの有益な特性を発見した.。
ヒ化ホウ素は、その有望な性能から、コンピュータの世界では定番の半導体材料であるシリコンに代わる候補として注目されている。ひとつには、シリコンよりも電荷移動度が向上しているため、電流（電子とその正電荷である「正孔」）を容易に流すことができる。しかし、シリコンとは異なり、熱も伝えやすい。
この材料は、シリコンの10倍の熱伝導性を持っている。電子部品が小型化・高密度化し、熱の蓄積がデバイスの性能を脅かすようになると、この熱伝導・熱拡散の能力が特に重要になる。
この材料の高い熱伝導性を生み出すものは、例えば太陽電池の中で光によって励起される電荷である光キャリアの興味深い輸送特性にもつながることが判明した。
研究チームは、走査型電子顕微鏡とフェムト秒超短パルスレーザーの能力を組み合わせて、本質的に極めて高速で極めて高い解像度のカメラを作った。
この物質では、光によって励起された『ホット』な電子が、従来の半導体よりもはるかに長い時間持続することが、驚くべきことにわかった。
＜関連情報＞
- https://www.news.ucsb.edu/2022/020753/next-wonder-semiconductor
- https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00581-1
超高速電子顕微鏡によるボロン砒素単結晶の持続的なホットキャリア拡散の画像化 Persistent hot carrier diffusion in boron arsenide single crystals imaged by ultrafast electron microscopy
Usama Choudhry ,Fengjiao Pan ,Xing He,Basamat Shaheen,Taeyong Kim,Ryan Gnabasik,Geethal Amila Gamage,Haoran Sun,Alex Ackerman,Ding-Shyue Yang,Zhifeng Ren,Bolin Liao
Matter Published:October 18, 2022
DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.029
Highlights
•Imaged photocarrier diffusion in c-BAs with high spatiotemporal resolution
•Identified unusually long hot photocarrier transport time in c-BAs
•Demonstrated SUEM as an emerging ultrafast imaging technique
Summary
Cubic boron arsenide (BAs) is promising for microelectronics thermal management because of its high thermal conductivity. Recently, its potential as an optoelectronic material is also being explored. However, it remains challenging to measure its photocarrier transport properties because of small sizes of available high-quality crystals. Here, we use scanning ultrafast electron microscopy (SUEM) to directly visualize the diffusion of photocarriers in BAs single crystals. Surprisingly, we observed ambipolar diffusion at low optical fluence with persistent hot carrier dynamics for above 200 ps, which can likely be attributed to the large frequency gap between acoustic and optical phonons, the same feature that is responsible for the high thermal conductivity. At higher optical fluence, we observed spontaneous electron-hole separation. Our results show BAs is an attractive optoelectronic material combining high thermal conductivity and excellent photocarrier transport properties. Our study also demonstrates the capability of SUEM to probe photocarrier transport in emerging materials.
