物理學家發展出檢測半導體中單原子缺陷的方法

將更聰明、更強大的電子設備塞進不斷縮小的設備中所面臨的挑戰之一是開發工具和技術來以越來越精確的方式分析構成這些設備的材料。

密西根州立大學的物理學家在這方面邁出了期待已久的一步，他們採用了一種將高解析度顯微鏡與超快雷射相結合的方法。

期刊中所描述的技術自然光子學，使研究人員能夠以無與倫比的精度發現半導體中的失配原子。 半導體物理學將這些原子標記為“缺陷”，這聽起來很負面，但它們通常是有意添加到材料中的，並且對於當今和未來設備中的半導體性能至關重要。

「這對於具有以下特性的組件尤其重要：”，傑裡·考恩 (Jerry Cowen) 實驗物理學主席兼這項新研究的領導者泰勒·科克 (Tyler Cocker) 說道。

這包括電腦晶片之類的東西，它們通常使用具有奈米級特徵的半導體。 研究人員正在努力透過單原子厚度的工程材料將奈米級結構發揮到極致。

「這些奈米材料是半導體的未來，」密西根州立大學物理和天文學系超快太赫茲奈米鏡實驗室的負責人科克說。 “當你擁有奈米級電子產品時，確保電子能夠按照你想要的方式移動非常重要。”

缺陷在電子運動中發揮著重要作用，這就是為什麼像科克這樣的科學家熱衷於準確地了解它們的位置和行為方式。 科克的同事們很高興得知他的團隊的新技術將使他們能夠輕鬆獲得這些資訊。

「我的一位同事說，『我希望你出去慶祝一下，』」科克說。

Vedran Jelic 是這份新報告的第一作者，他是 Cocker 小組的博士後研究員，目前在加拿大國家研究委員會工作。 研究團隊還包括博士生 Stefanie Adams、Eve Ammerman 和 Mohamed Hassan，以及本科生研究員 Kaedon Cleland-Host。

Cocker 補充說，該技術使用正確的設備可以直接實施，他的團隊已經將其應用於石墨烯奈米帶等原子薄材料。

「我們有許多開放項目，我們正在使用更多材料和更奇特的材料的技術，」科克說。 “我們基本上將其融入我們所做的一切中，並將其用作標準技術。”

輕微（幾乎）的觸摸

已經有一些工具，特別是掃描穿隧顯微鏡或 STM，可以幫助科學家發現缺陷。

與許多人在高中科學課上認識的顯微鏡不同，STM 不會使用鏡頭和燈泡來放大物體。 相反，STM 使用原子級鋒利的尖端掃描樣品表面，就像電唱機上的觸筆一樣。

但 STM 尖端不會接觸樣品表面，它只是足夠接近，以便電子可以在尖端和樣品之間跳躍或隧道。

STM 記錄有多少電子跳躍以及它們從哪裡跳躍，以及其他信息，以提供有關樣品的原子尺度信息（因此，為什麼 Cocker 的實驗室將其稱為奈米顯微鏡而不是顯微鏡）。

但僅靠 STM 數據並不總是足以清楚地解決樣品中的缺陷，尤其是在，一種重要的半導體材料，用於雷達系統、高效能太陽能電池和現代電信設備。

在他們的最新出版物中，Cocker 和他的團隊專注於砷化鎵樣品，這些樣品有意注入矽缺陷原子，以調整電子在半導體中移動的方式。

「對於電子來說，矽原子基本上看起來就像一個深坑，」科克說。

儘管理論學家幾十年來一直在研究這種類型的缺陷，但實驗學家直到現在還無法直接偵測到這些單一原子。 Cocker 和他的團隊的新技術仍然使用 STM，但研究人員也在 STM 的尖端發射雷射脈衝。

這些脈衝由太赫茲頻率的光波組成，這意味著它們每秒上下抖動一兆次。 最近，理論學家表明，這與矽原子缺陷在砷化鎵樣品內部來回擺動的頻率相同。

透過耦合 STM 和太赫茲光，密西根州立大學團隊創建了一種對缺陷具有無與倫比的靈敏度的探針。

當STM尖端到達砷化鎵表面的矽缺陷時，團隊的測量數據中突然出現強烈的訊號。 當研究人員將尖端移離缺陷一個原子時，訊號消失了。

「這就是人們四十多年來一直在尋找的缺陷，我們可以看到它像鈴聲一樣響起，」科克說。

「一開始，我很難相信，因為它是如此獨特，」他繼續說道。 “我們必須以各種方式對其進行測量，以確保這是真實的。”

然而，一旦他們確信信號是真實的，由於多年來致力於該主題的理論工作，就很容易解釋。

Jelic 說：「當你發現這樣的東西時，這真的很有幫助，因為已經有數十年的理論研究徹底描述了它的特徵。」Jelic 和 Cocker 都是這篇新論文的通訊作者。

儘管 Cocker 的實驗室處於該領域的前沿，但目前世界各地也有一些團體將 STM 和太赫茲光結合起來。 除了檢測缺陷之外，還有多種其他材料可以從該技術中受益。

現在，他的團隊與社區分享了其方法，Cocker 很高興看到還有什麼其他發現等待著。