超快激光技術(shù)“發(fā)現(xiàn)”半導(dǎo)體中的原子級(jí)缺陷

隨著電子產(chǎn)品變得更小、性能更強(qiáng)，科學(xué)家必須不斷創(chuàng)新檢測(cè)手段，以更高精度的方式測(cè)試電子元件。

近日，美國(guó)密歇根州立大學(xué)（MSU）研究人員，將高分辨率顯微鏡技術(shù)與超快激光相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種新方法，可以精確地發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體表面的單原子“缺陷”。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用范圍可擴(kuò)展到尖端的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，包括具有納米級(jí)特征的計(jì)算機(jī)芯片和僅一個(gè)原子厚的工程材料。

相關(guān)研究成果以“Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy”為題，發(fā)表于Nature Photonics期刊。（https://www.nature.com/articles/s41566-024-01467-2）

研究人員將太赫茲激光與掃描隧道顯微鏡 (STM) 尖端相結(jié)合，將紅色電子與藍(lán)色表面的樣品進(jìn)行交換。

? 納米級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體至關(guān)重要

“缺陷”一詞通常我們是需要避免的，但缺陷對(duì)半導(dǎo)體的性能至關(guān)重要，通過(guò)精準(zhǔn)確定缺陷位置可以幫助科學(xué)家更好地了解特定半導(dǎo)體的行為。

該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人密歇根州立大學(xué)Tyler Cocker教授表示，“這對(duì)于具有納米級(jí)結(jié)構(gòu)的組件尤其重要，隨著半導(dǎo)體器件不斷縮小，理解和控制原子尺度的缺陷對(duì)于器件的性能和穩(wěn)定性變得很重要?！?/p>

目前，掃描隧道顯微鏡（STM）已經(jīng)普遍用于發(fā)現(xiàn)材料表面的單原子缺陷，它不依賴(lài)鏡頭來(lái)放大所指向的物體。相反，STM 使用探針，當(dāng)施加電壓時(shí)，電子將開(kāi)始在探針和樣品之間跳躍，這可以提供關(guān)于樣品的大量原子級(jí)信息。

但 STM 數(shù)據(jù)也有其局限性。尤其是對(duì)于砷化鎵這種重要的半導(dǎo)體材料，STM 并不總是能夠清楚地分辨出缺陷。

因此，密歇根州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，將 STM 與照射在 STM 探針尖端的超快激光脈沖相結(jié)合，開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體缺陷檢測(cè)新方法。

??超快激光賦能STM，打造原子級(jí)“透視鏡”

目前，超快激光脈沖因?yàn)槠涑痰拿}寬以及與原子晶格較弱的耦合能夠避免局域熱效應(yīng)的積累，為室溫下研究單原子提供了重要機(jī)遇。在最近十年，超快激光驅(qū)動(dòng)的STM研究吸引了廣大科研者的興趣。

密歇根州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了掃描隧道顯微鏡 (STM) 和太赫茲頻率的激光脈沖，對(duì)故意注入硅缺陷原子的砷化鎵樣品的分析。這些脈沖每秒鐘會(huì)“上下顫動(dòng)”一萬(wàn)億次，這種組合創(chuàng)造了一個(gè)對(duì)缺陷敏感的探針。

雖然這種缺陷已被理論物理學(xué)家充分研究，但實(shí)驗(yàn)人員至今仍無(wú)法直接檢測(cè)到這些單個(gè)原子。令該研究團(tuán)隊(duì)振奮的是，當(dāng)施加激光的 STM 尖端遇到砷化鎵表面上的硅缺陷時(shí)，會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一個(gè)明顯的強(qiáng)烈信號(hào)。將探針移動(dòng)一個(gè)原子，信號(hào)就會(huì)消失。

研究人員認(rèn)為，該信號(hào)之所以能被檢測(cè)到，是因?yàn)樘掌澒獾恼袷庮l率與砷化鎵晶格中硅原子的振蕩頻率相同。Tyler Cocker教授說(shuō)：“這個(gè)缺陷人們已經(jīng)尋找了 40 多年，現(xiàn)在我們可以清晰看到它。一開(kāi)始發(fā)現(xiàn)時(shí)，很難相信，因?yàn)樗黠@了，”他繼續(xù)說(shuō)道。“我們必須用各種方法測(cè)量，才能確定這是真的?！蹦壳埃搱F(tuán)隊(duì)已經(jīng)將他們的方法應(yīng)用于檢查石墨烯納米線等原子級(jí)超薄材料，“我們正在進(jìn)行許多開(kāi)放式項(xiàng)目，使用這種技術(shù)研究更多材料和更奇特的材料”，該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種新的 STM 分析方法不僅可以檢測(cè)半導(dǎo)體缺陷，還可以造福其他科學(xué)領(lǐng)域。