超快激光技术“发现”半导体中的原子级缺陷

随着电子产品变得更小、性能更强，科学家必须不断创新检测手段，以更高精度的方式测试电子元件。

近日，美国密歇根州立大学（MSU）研究人员，将高分辨率显微镜技术与超快激光相结合，开发出一种新方法，可以精确地发现半导体表面的单原子“缺陷”。这项技术的应用范围可扩展到尖端的半导体技术发展，包括具有纳米级特征的计算机芯片和仅一个原子厚的工程材料。

相关研究成果以“Atomic-scale terahertz time-domain spectroscopy”为题，发表于Nature Photonics期刊。（https://www.nature.com/articles/s41566-024-01467-2）

研究人员将太赫兹激光与扫描隧道显微镜 (STM) 尖端相结合，将红色电子与蓝色表面的样品进行交换。

  纳米级结构对现代半导体至关重要

“缺陷”一词通常我们是需要避免的，但缺陷对半导体的性能至关重要，通过精准确定缺陷位置可以帮助科学家更好地了解特定半导体的行为。

该项目负责人密歇根州立大学Tyler Cocker教授表示，“这对于具有纳米级结构的组件尤其重要，随着半导体器件不断缩小，理解和控制原子尺度的缺陷对于器件的性能和稳定性变得很重要。”

目前，扫描隧道显微镜（STM）已经普遍用于发现材料表面的单原子缺陷，它不依赖镜头来放大所指向的物体。相反，STM 使用探针，当施加电压时，电子将开始在探针和样品之间跳跃，这可以提供关于样品的大量原子级信息。

但 STM 数据也有其局限性。尤其是对于砷化镓这种重要的半导体材料，STM 并不总是能够清楚地分辨出缺陷。

因此，密歇根州立大学研究团队，将 STM 与照射在 STM 探针尖端的超快激光脉冲相结合，开发半导体缺陷检测新方法。

  超快激光赋能STM，打造原子级“透视镜”

目前，超快激光脉冲因为其超短的脉宽以及与原子晶格较弱的耦合能够避免局域热效应的积累，为室温下研究单原子提供了重要机遇。在最近十年，超快激光驱动的STM研究吸引了广大科研者的兴趣。

密歇根州立大学的研究团队结合了扫描隧道显微镜 (STM) 和太赫兹频率的激光脉冲，对故意注入硅缺陷原子的砷化镓样品的分析。这些脉冲每秒钟会“上下颤动”一万亿次，这种组合创造了一个对缺陷敏感的探针。

虽然这种缺陷已被理论物理学家充分研究，但实验人员至今仍无法直接检测到这些单个原子。令该研究团队振奋的是，当施加激光的 STM 尖端遇到砷化镓表面上的硅缺陷时，会在测量数据中产生一个明显的强烈信号。将探针移动一个原子，信号就会消失。

研究人员认为，该信号之所以能被检测到，是因为太赫兹光的振荡频率与砷化镓晶格中硅原子的振荡频率相同。Tyler Cocker教授说：“这个缺陷人们已经寻找了 40 多年，现在我们可以清晰看到它。一开始发现时，很难相信，因为它太明显了，”他继续说道。“我们必须用各种方法测量，才能确定这是真的。”目前，该团队已经将他们的方法应用于检查石墨烯纳米线等原子级超薄材料，“我们正在进行许多开放式项目，使用这种技术研究更多材料和更奇特的材料”，该团队认为，这种新的 STM 分析方法不仅可以检测半导体缺陷，还可以造福其他科学领域。