Los investigadores informan de un gran avance en los materiales semiconductores

La alta movilidad de portadores en el arseniuro de boro cúbico es una promesa para la electrónica de nueva generación

27.07.2022 - Estados Unidos

Los investigadores han descubierto por primera vez de forma experimental que un cristal de arseniuro de boro cúbico ofrece una alta movilidad de portadores tanto para los electrones como para los huecos -las dos formas en que se transporta una carga en un material semiconductor-, lo que sugiere un importante avance para la electrónica de próxima generación.

Mientras que las predicciones anteriores habían teorizado que el cristal podría exhibir simultáneamente una alta movilidad de electrones y agujeros, los investigadores fueron capaces de validar experimentalmente la alta movilidad de portadores a temperatura ambiente, ampliando su uso potencial en aplicaciones comerciales. En el trabajo participaron investigadores de todo Estados Unidos, como la Universidad de Houston, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad de Texas en Austin y el Boston College.

Un artículo adjunto describe el uso de la microscopía de reflectividad transitoria para medir el cristal, demostrando la alta movilidad y, en algunos casos, cuando se utilizó un rayo láser de mayor energía, superando las predicciones anteriores. Este trabajo fue realizado por investigadores de la UH y del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de Pekín, junto con otras instituciones de China.

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Zhifeng Ren, director del Centro de Superconductividad de Texas en la UH y autor correspondiente de ambos trabajos, dijo que el trabajo tiene importantes implicaciones para una serie de aplicaciones electrónicas y ópticas, similares a los avances que siguieron a la llegada de las obleas de silicio, que se utilizan ampliamente en todo tipo de electrónica.

Algunas aplicaciones de los semiconductores requieren un material con una alta conductividad térmica -que mide la eficacia con la que un material conduce el calor- y una alta movilidad de electrones y agujeros. Investigaciones anteriores habían demostrado que el arseniuro de boro cúbico tiene una alta conductividad térmica, por lo que la alta movilidad ambipolar es un avance crucial.

"El potencial de este material es tremendo", dijo Ren, que también es profesor de la cátedra M.D. Anderson de física de la UH. Aunque se está trabajando para producir cristales más grandes con propiedades uniformes, el resultado podría tener un impacto aún mayor en el campo que la oblea de silicio, dijo.

Esto se debe a que los semiconductores requieren que la corriente sea transportada tanto por electrones como por huecos, pero la mayoría de los materiales conocidos ofrecen una alta movilidad sólo para un tipo de portador. La eficiencia global del semiconductor viene determinada por el valor más bajo.

"Si ambos son altos, el dispositivo será más eficiente", dijo Ren. "Eso es lo que hace que este material sea único".

Ren formó parte de un grupo de investigadores que informó en Science en 2018 que el cristal -crecido a partir de boro y arsénico, dos elementos minerales relativamente comunes- demostró una conductividad térmica mucho más alta que los semiconductores tradicionales. Este trabajo se basa en eso, utilizando cristales cultivados en el laboratorio de Ren para demostrar que las predicciones teóricas sobre la alta movilidad de la sustancia pueden demostrarse experimentalmente.

La movilidad de los portadores se mide en la unidad de cm2V-1s-1; los investigadores informaron de una movilidad de 1.600 cm2V-1s-1. Esta parte del trabajo fue dirigida por Gang Chen, catedrático de Ingeniería Energética Carl Richard Soderberg del MIT y coautor del artículo, que utilizó un método de rejilla óptica transitoria para medir tanto la movilidad eléctrica como la conductividad térmica.

En el segundo artículo, los investigadores dirigidos por Ren y Jiming Bao, de la UH, y Xinfeng Liu, del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología de Pekín, informaron de un rango que va desde los 1.500 cm2V-1s-1 hasta los 3.000 cm2V-1s-1.

La medición de la movilidad de los portadores se complicó por el hecho de que el cristal no era grande ni uniforme, lo que significa que los métodos de medición tradicionales, como el efecto Hall, no podían determinar con precisión sus propiedades. Los investigadores afirmaron que las impurezas ionizadas debilitaban el rendimiento del material al dispersar fuertemente los portadores de carga, aunque otras impurezas -descritas en el artículo como "impurezas neutras"- tenían un impacto menor.

"La muestra no era uniforme, pero se puede ver el potencial localmente", dijo Ren. "Si se tuviera un cristal libre de defectos, la movilidad podría ser potencialmente mucho mayor de lo previsto. Estamos en continua investigación para averiguarlo".

Las mediciones se realizaron con distintos métodos en laboratorios de la UH y el MIT.

En el segundo artículo, los investigadores de la UH y de seis universidades e instituciones chinas describen el uso de la microscopía de reflectividad transitoria para medir la movilidad de electrones y agujeros.

Bao, profesor de ingeniería eléctrica de la UH e investigador principal del Centro de Superconductividad de Texas, dijo que los investigadores utilizaron pulsos de láser para excitar los portadores en la muestra y controlar su difusión y, en el proceso, descubrieron una diferencia clave entre el cristal de arseniuro de boro cúbico y la mayoría de los materiales semiconductores. En el silicio, por ejemplo, dijo que los electrones se mueven unas cuatro veces más rápido que los huecos.

"En este caso, los agujeros se mueven más rápido que los electrones", dijo. Pero tanto los electrones como los huecos mostraron una movilidad inusualmente alta, lo que mejoró el rendimiento general del material.

Bao atribuyó las mediciones más altas, en las que se detectó una movilidad muy superior a 1.600 cm2V-1s-1, a los "electrones calientes", que mantuvieron el calor, o la energía, generada por el pulso láser durante más tiempo que en la mayoría de los demás materiales. Lo mismo ocurrió con los agujeros del material, dijo Bao.

La estructura del cristal cúbico de arseniuro de boro dificulta el enfriamiento de los portadores de carga, lo que significa que mantienen el calor -y la alta movilidad resultante- durante más tiempo. Los investigadores informaron de una movilidad similar a los niveles predichos y a los encontrados por el laboratorio de Chen, pero señalaron que experimentos adicionales revelaron una movilidad de más de 3.000 cm2V-1s-1, que atribuyeron a los electrones calientes.

Los resultados dependían en parte de la medición de una sección del cristal con pocas o ninguna impureza, dijo Bao. "La muestra no era uniforme, y encontramos la mayor movilidad en los puntos con menos impurezas".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.