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科學家研發原子級超薄材料 可提高各種光技術效率
文章來源:cnBeta.COM     更新時間:2022-04-22 14:51:32
相機、太陽能面板、生物傳感器和光纖等技術都依賴光電探測器,或將光轉化為電的傳感器。隨著其組件半導體芯片尺寸的縮小,光電探測器正變得更加高效和實惠。然而,目前的材料和制造方法限制了小型化,迫使人們不得不在尺寸和性能之間做出權衡。

 

傳統的半導體芯片制造工藝有許多限制和缺點。芯片是通過在晶圓頂部生長半導體薄膜來制造的,其方式是使薄膜的晶體結構與基片晶圓的晶體結構一致。這使得薄膜難以轉移到其他基底材料上,降低了其適用性。

硅作為半導體芯片的首選材料仍然無處不在,然而,它越薄,作為光子結構的表現就越差,使它在光電探測器中不太理想。其他表現比硅更好的極薄層材料仍然需要一定的厚度來與光互動,因此如何確定最佳光子材料和在光電探測器半導體芯片中運行的關鍵厚度是非常關鍵的。

在賓夕法尼亞州工程師 Deep Jariwala(電氣和系統工程系助理教授)、Pawan Kumar 和 Jason Lynch(他實驗室的一名博士后研究員和一名博士生)領導下,科研團隊近期在《自然-納米技術》上發表了一項研究,目的就是為了實現這一目標。

材料科學與工程系教授Eric Stach與他的博士后Surendra Anantharaman、博士生 Huiqin Zhang 和本科生 Francisco Barrera 也對這項工作做出了貢獻。這項合作研究還包括賓夕法尼亞州立大學、AIXTRON愛思強、加州大學洛杉磯分校、空軍研究實驗室和布魯克海文國家實驗室的研究人員,并主要由陸軍研究實驗室資助。他們的論文描述了一種制造原子級薄的超晶格或半導體薄膜的新方法,這些超晶格或半導體薄膜具有高度的光輻射性。

1 個原子厚度的材料通常采取晶格(lattice)的形式,或由幾何排列的原子組成的層,形成每種材料特有的圖案。超晶格是由不同材料的晶格相互堆疊而成的。超晶格具有全新的光學、化學和物理特性,這使得它們可以適應特定的應用,如光敏元件和其他傳感器。

賓夕法尼亞工程公司的團隊制作了一個鎢和硫(WS2)的超級晶格,有 5 個原子厚。

Kumar 表示:“在使用模擬進行了兩年的研究,告知我們超晶格將如何與環境互動之后,我們已經準備好通過實驗來構建超晶格。因為傳統的超晶格是直接在所需的基底上生長的,它們往往有數百萬個原子的厚度,而且很難轉移到其他材料基底上。我們與行業伙伴合作,以確保我們的原子薄超晶格的生長是可擴展的,適用于許多不同的材料”。

他們在兩英寸的晶圓上生長了單層原子,或稱晶格,然后溶解了基底,這使得晶格可以轉移到任何需要的材料上,在他們的案例中是藍寶石。此外,他們的晶格是用原子的重復單元在一個方向上排列創建的,以使超晶格成為二維的、緊湊的和高效的。

他繼續說道:“我們的設計也是可擴展的。我們能夠用我們的方法創造出表面積以厘米為單位的超晶格,與目前正在生產的微米級硅超晶格相比,這是一個重大改進。這種可擴展性是可能的,因為我們的超晶格的厚度均勻,這使得制造過程簡單且可重復??蓴U展性對于能夠將我們的超晶格放在行業標準的四英寸芯片上非常重要”。

他們的超晶格設計不僅非常薄,使其重量輕,成本低,而且還可以發射光,而不僅僅是檢測光。

Lynch 表示:“我們在超晶格中使用一種新型結構,涉及激子-極子,這是一種由一半物質和一半光組成的準態粒子。光是很難控制的,但我們可以控制物質,我們發現通過操縱超晶格的形狀,我們可以間接地控制從它發出的光。這意味著我們的超晶格可以成為一個光源。這項技術有可能大大改善自動駕駛汽車、面部識別和計算機視覺中的激光雷達系統”。


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