自从1956年的诺贝尔物理学奖获得者约翰·巴丁，沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利发明晶体管后固态电子学得到了蓬勃发展。然而，固态电子学发展遇到的一个重要瓶颈是器件中的电声相互作用常常会引发电荷的非绝热输运，进而导致了集成器件在工作过程中产生严重的热累积效应和散热瓶颈问题。如何揭示微纳器件的微观产热机理并进一步实现固态环境载流子的绝热输运是后摩尔时代信息和能源器件的功耗降低和能效提升所面临的前沿课题之一。在近百年的半导体物理研究历程中，人们不得不借助低温技术等极端实验条件下载流子的相干输运、弹道输运或形成库伯对这样的新的准粒子等形式来实现绝热输运。然而一方面低温给实际应用带来的巨大障碍，迄今为止室温超导依然面临严峻的理论和技术挑战；另一方面通过低温技术实现的绝热输运无法适用于光伏太阳能电池等能源器件领域。
为此，安正华课题组与中国科学院上海技术物理研究所陆卫研究团队、日本东京大学等合作利用近年来自主研制的扫描太赫兹噪声显微镜技术（Science 360, 775(2018)）对GaAs半导体微纳器件中的热电子进行直接的显微观测研究，不仅直接观测到电子等效温度高达Telectron~103K，显著高于晶格温度（Tlattice@300K），揭示了器件微观焦耳热在电子层面的产生根源，而且还观测到这些远离热平衡（out-of-equilibrium）热电子展现出显著不同于近热平衡电子（Telectron@Tlattice）的准绝热输运行为。按照传统器件的经典扩散-弛豫模型，近热平衡电子的能量随着输运距离的增加而指数式快速衰减，特别是在室温下由于大量晶格（声子）散射的存在，常规半导体中载流子的能量弛豫距离仅在纳米级。而研究团队的最新结果显示，远离热平衡的热电子可以在微米级尺度上以超过90%效率进行能量输运，这为大幅提升热电子能量的收集和利用效率带来新的极限。深入研究显示，其物理本质为上述非热平衡体系在能量动力学演化过程中，热电子发射的过量LO声子由于“热声子瓶颈”效应，与热电子体系形成准热平衡状态（TLO@Telectron ~103K）从而近似关闭热电子能量向晶格弛豫的通道，并由此实现了室温条件下热电子的准绝热输运。这打破了传统近平衡器件物理理论的限制，突破了传统上认为电子输运过程中的声子发射总是有害于能量输运的一般认识，首次揭示可以利用过量发射的热声子在动力学弛豫过程中的瓶颈效应实现载流子的绝热和高携能输运全新机制。实验中微米级尺度准绝热现象的发现对基于传统半导体的纳电子学器件底层热管理、太阳能电池的Shockley–Queisser理论效率极限的突破、热电器件的能量转化效率提升等带来了全新的研究思路。
研究成果以“Quasiadiabatic electron transport in room temperature nanoelectronic devices induced by hot-phonon bottleneck”为题，于2021年08月06日发表在Nature Communications杂志上[Nature Communications 12, 4752 (2021)]。论文的通讯作者为安正华研究员、中国科学院上海技术物理研究所翁钱春博士和陆卫研究员，论文第一作者为翁钱春博士、复旦大学杨乐博士生和安正华研究员。
图 采用扫描太赫兹噪声显微镜(SNoiM)和扫描热显微镜(SThM)分别观测到电子温度Telectron(图a)和晶格温度Tlattice(图b)的空间分布，图a中沟道区内入口端的电子热斑(Telectron ~2x103K)未引起明显的GaAs晶格热效应(见图b底部)，沟道区内电子的准绝热输运使得几乎全部能量被传输至沟道出口；图c为砷化镓器件沟道区对应的原子力显微(AFM)照片
此外，研究团队还在不同结构的GaAs微纳器件中观察到各向异性热电子畴结构的形成，并揭示其非平衡条件下的自组织动力学形成过程。成果以Anisotropic Hot-Electron Kinetics Revealed by Terahertz Fluctuation为题，于2021年8月8日发表在ACS Photonics期刊上[ACS Photonics 8, 9, 2674–2682(2021)]。
上述研究工作得到国家自然科学基金、上海市科委科技创新行动计划的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-25094-5
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.1c00686
