Forschung erzeugt Rekordbelastungen in einkristallinem Silizium

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Schematische Zeichnung mit (a) Gitter- und Membranabmessungen und (b) kristallographischen Richtungen. 3,05 mm entspricht der Gittergröße eines Standard-Transmissionselektronenmikroskops (TEM), während Fensterabmessungen und Kristallrichtungen ein Ergebnis des anisotropen Nassätzens von Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafern sind. Quelle: DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.124603

Forscher der University of Surrey haben ein einstufiges Verfahren entwickelt, um einkristallines Silizium stärker als bisher zu belasten. Die zum Patent angemeldete Entdeckung könnte entscheidend für die zukünftige Entwicklung der Silizium-Photonik sein, die die Technologien hinter dem Internet der Dinge untermauert und derzeit durch den Mangel an billigen, effizienten und einfach zu integrierenden optischen Emittern eingeschränkt wird.


Nun übertragen die Forscher aus Surrey das gleiche Verfahren auf Germanium. Wenn sie erfolgreich sind, werden sie die Tür zur Herstellung von Germaniumlasern öffnen, die mit siliziumbasierten Computern kompatibel sind und revolutionieren könnten Kommunikationssysteme durch neue opto-elektronische Geräte. Dies würde das Problem der Überhitzung angehen, das zu einer Bedrohung für die Entwicklung in siliziumbasierten Computersystemen wird, und die Notwendigkeit beseitigen, teure und schwer zu integrierende III-V-Geräte zu entwickeln, ein beliebtes Forschungsgebiet, um zu versuchen, Überhitzung zu überwinden.

Die vollständige Verlagerung der Photonik auf Silizium war ein lang gehegtes Ziel, und obwohl es viele Erfolge bei der Entwicklung von passiven Silizium-Photonikgeräten gab, blieb ein Laser, der mit der CMOS-Industrie kompatibel ist und Elemente aus derselben Gruppe des Periodensystems verwendet, schwer fassbar bis jetzt. Das Team erhielt kürzlich einen EPSRC New Horizons-Projektzuschuss, um seine Innovationen zu nutzen und seine Arbeit voranzutreiben.

Der neue Ansatz ist auch ein wichtiger Schritt zur Entwicklung von Nahinfrarotsensoren, die den Weg für die Entwicklung anspruchsvollerer Smartphones ebnen könnten, die sie mit Feuermeldern und Kohlenmonoxidsensoren ausstatten.

Ein neues Papier veröffentlicht in Materialien zur körperlichen Überprüfung beschreibt, wie das Team durch Ionenimplantation in aufgehängten Membranen eine Spannung erzeugte, ähnlich wie das Straffen eines Trommelfells. Der Effekt wird durch ein Abwärtsbiegen des implantierten Bereichs aufgrund einer noch kristallinen Schicht unterhalb des implantierten oberen Bereichs in einem Mechanismus erzeugt, der einem Bimetallstreifen entspricht, der einer Temperaturänderung ausgesetzt wird.

Das Team vom Advanced Technology Institute and Department of Physics der University of Surrey zeigt, dass bis zu 3,1 Prozent biaxiale Dehnung und bis zu 8,5 Prozent uniaxiale Dehnung erzeugt werden können, weist aber den Weg zu noch größeren Dehnungen, die durch Variation der Implantatarten und durch Nutzung erreichbar sind die zugrunde liegende Kristallrichtung.

Die Methode übertrifft bisherige Rekorde mit komplexeren Ansätzen bei weitem. Bei dem Gruppe-IV-Halbleiter Germanium tritt ein indirekt-zu-direkt-Übergang in der elektronischen Bandlücke bei viel niedrigeren auf Stämme als Silizium, wo dieses neue Verfahren ein enormes Potenzial bietet.

Obwohl das Verfahren relativ einfach ist und den Weg zu einer vielseitigen, schnellen, allgemein anwendbaren und weit verbreiteten Technik zur Dehnungskontrolle weist, erforderte seine Entwicklung die Nutzung zweier nationaler Einrichtungen: des Surrey Ion Beam Centre, das es Benutzern ermöglicht, ein breites Spektrum zu unternehmen Vielfalt der Forschung mit Ionenimplantation, Ionenbestrahlung und Ionenstrahlanalyse, und die auch umfangreiche Verarbeitungs- und Charakterisierungsanlagen hat; und das National Physical Laboratory, das National Metrology Institute des Vereinigten Königreichs, das nationale primäre Messstandards entwickelt und pflegt und sicherstellt, dass modernste Messwissenschaft einen positiven Einfluss auf die reale Welt hat.

Dr. David Cox, Senior Research Fellow am Advanced Technology Institute der University of Surrey, sagte: „Was mich daran begeistert, ist die Einfachheit der Methode und dass sie leicht auf Produktionsverfahren übertragen werden kann. Es wird spannend sein zu sehen wenn dies einen ebenso bedeutenden Einfluss auf die Photonik von Halbleitern der Gruppe IV haben kann wie Alf Adams langjähriges Vermächtnis bei der Entwicklung von III-V-basierten Quantum-Well-Lasern mit verspannter Schicht.Photonik wird für das 21. Jahrhundert das sein, was die Elektronik für das 21. Jahrhundert war 20. Jahrhundert: revolutionär.“

Mateus Masteghin, Ph.D. Student und Hauptautor der Studie, sagte: „Es war erstaunlich, die Faltenvernichtung und das Abflachen der Membranen in Echtzeit zu sehen. Diese neue Technik verspricht, den Bereich der Photonik stark zu stören, und ich freue mich auf die weitere Entwicklung neue Geräte, die auf dieser vorgeschlagenen Technik basieren.“


Eine Studie deutet darauf hin, dass Silizium ein Wendepunkt in der Photonik sein könnte


Mehr Informationen:
Mateus G. Masteghin et al, Spannungs-Dehnungs-Engineering von einkristallinen Siliziummembranen durch Ionenimplantation: Auf dem Weg zu Gruppe-IV-Halbleitern mit direkter Lücke, Materialien zur körperlichen Überprüfung (2021). DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.5.124603

Zur Verfügung gestellt von
Universität Surrey

Zitat: Forschung erzeugt Rekordbelastungsniveaus in einkristallinem Silizium (2022, 18. Januar), abgerufen am 18. Januar 2022 von https://phys.org/news/2022-01-strain-single-crystal-silicon.html

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