超快激光技術(shù)“發(fā)現(xiàn)”半導體中的原子級缺陷

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

近日，美國密歇根州立大學（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，開發(fā)出一種新方法，可以精確地發(fā)現(xiàn)半導體表面的單原子“缺陷”。這項技術(shù)的應用范圍可擴展到尖端的半導體技術(shù)發(fā)展，包括具有納米級特征的計算機芯片和僅一個原子厚的工程材料。

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，將紅色電子與藍色表面的樣品進行交換。

? 納米級結(jié)構(gòu)對現(xiàn)代半導體至關(guān)重要

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

該項目負責人密歇根州立大學Tyler Cocker教授表示，“這對于具有納米級結(jié)構(gòu)的組件尤其重要，隨著半導體器件不斷縮小，理解和控制原子尺度的缺陷對于器件的性能和穩(wěn)定性變得很重要。”

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，它不依賴鏡頭來放大所指向的物體。相反，STM 使用探針，當施加電壓時，電子將開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信息。

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

因此，密歇根州立大學研究團隊，將 STM 與照射在 STM 探針尖端的超快激光脈沖相結(jié)合，開發(fā)半導體缺陷檢測新方法。

??超快激光賦能STM，打造原子級“透視鏡”

目前，超快激光脈沖因為其超短的脈寬以及與原子晶格較弱的耦合能夠避免局域熱效應的積累，為室溫下研究單原子提供了重要機遇。在最近十年，超快激光驅(qū)動的STM研究吸引了廣大科研者的興趣。

密歇根州立大學的研究團隊結(jié)合了掃描隧道顯微鏡 (STM) 和太赫茲頻率的激光脈沖，對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“上下顫動”一萬億次，這種組合創(chuàng)造了一個對缺陷敏感的探針。

雖然這種缺陷已被理論物理學家充分研究，但實驗人員至今仍無法直接檢測到這些單個原子。令該研究團隊振奮的是，當施加激光的 STM 尖端遇到砷化鎵表面上的硅缺陷時，會在測量數(shù)據(jù)中產(chǎn)生一個明顯的強烈信號。將探針移動一個原子，信號就會消失。

研究人員認為，該信號之所以能被檢測到，是因為太赫茲光的振蕩頻率與砷化鎵晶格中硅原子的振蕩頻率相同。Tyler Cocker教授說：“這個缺陷人們已經(jīng)尋找了 40 多年，現(xiàn)在我們可以清晰看到它。一開始發(fā)現(xiàn)時，很難相信，因為它太明顯了，”他繼續(xù)說道?！拔覀儽仨氂酶鞣N方法測量，才能確定這是真的。”目前，該團隊已經(jīng)將他們的方法應用于檢查石墨烯納米線等原子級超薄材料，“我們正在進行許多開放式項目，使用這種技術(shù)研究更多材料和更奇特的材料”，該團隊認為，這種新的 STM 分析方法不僅可以檢測半導體缺陷，還可以造福其他科學領(lǐng)域。