老当益壮！半导体霸主再登Nature：灵敏度提高100000000倍，尺寸减少4个数量级！
小纳米
2020-09-21
超声波探测器使用高频声波对物体成像并测量距离，但是这些读数的分辨率受到探测元件物理尺寸的限制。点状宽带超声检测可以极大地提高超声检查和光声（光声）成像的分辨率，但是当前的超声探测器（例如用于医学成像的超声探测器）还无法充分小型化。压电换能器会随着尺寸减小而使灵敏度以2次方降低，光学微环谐振器和法布里-珀罗(Fabry-Perot)标准具无法将光充分限制在小于50微米的范围内。微机械加工方法已经用于产生电容和压电换能器的阵列，但是其带宽仅为几兆赫兹，尺寸超过70微米。使用光学方法进行超声波检测比压电检测具有本质上的微型化优势，可以在不牺牲灵敏度的情况下将检测器小型化。一个常见的例子是光学干涉仪，它使用嵌入光纤波导中的π位移布拉格光栅标准具。在这种配置中，超声波会扰动两个布拉格光栅之间建立的光学腔的长度和折射率，从而改变其共振特性。问题在于，较大的感测长度（100–300μm）和较窄的带宽（10–30 MHz）不允许进行点状检测，从而限制了分辨率和小型化潜力。其他谐振器设计包括聚合物微或法布里-珀罗(Fabry-Perot)标准具也无法将光充分限制在小于50微米的范围内，从而限制了进一步的小型化。
有鉴于此，德国慕尼黑工业大学Vasilis Ntziachristos和Rami Shnaiderman等人引入绝缘体上硅技术（silicon-on-insulator），开发了一种小型化的超声波探测器，它的感应面积可小到220 nm X 500 nm。基于半导体行业广泛使用的高通量制造技术，研究团队设计了一个点状硅波导标准具检测器（SWED），尺寸为220 nm×500 nm，比最小的聚合物微环检测器小4个数量级，比细胞和毛细血管的直径小4个数量级。研究表明，基于绝缘体上硅的光学谐振器设计提供了比微环谐振器高1000倍、比压电探测器好100,000,000倍的单位面积灵敏度。该设计还可以实现超宽的检测带宽，在−6分贝时可达到230兆赫。除了使探测器适合在非常密集的阵列中制造外，研究人员还表明亚微米传感区域能够实现超分辨率的探测和成像性能。还展示了比超声波检测波长小50倍的特征成像。总之，这项研究表明探测器能够实现超声波读数的超小型化，使超声成像的分辨率与光学显微镜相当，并有可能在硅芯片上开发出非常密集的超声阵列。Rami Shnaiderman et al. A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection. Nature 2020, 585, 372–378.https://www.nature.com/articles/s41586-020-2685-y半导体硅在电学性质、储量、成本、可加工性等方面占足了优势。同样，硅也在锂离子电池、太阳能电池、含硅化工品制备等领域具有广泛用途。然而，发展到今天，硅无论是在信息还是能源领域均遇到了基础的瓶颈问题，限制了硅基器件性能的进一步提升。作为半导体领域的绝对霸主，硅材料可谓老当益壮！2020年以来连续在多个领域焕发新活力。除了刚刚这篇Nature之外，Science/Nature近期还连续刊登了3篇有关半导体硅基光电器件的研究论文，其中两篇论文的关键为硅（基）材料的设计/改性，另一篇则报道了阴离子工程提高串联太阳能电池的效率，解读如下，敬请交流。
1. Science：棘轮效应助力二极管高频整流！
传统二极管通过两不同半导体形成的结从而实现整流，具有肖特基势垒的金属-半导体二极管就是一个典例。在这类器件中，电容阻碍了工作频率的进一步提升。棘轮效应是指事物的变化具有不可逆性，即易于向某一方向调整，而难于向相反方向调整。例如，消费者易于随收入的提高增加消费，但不易于因收入降低而减少消费。实际上，棘轮效应在自然界和人类的生产生活中是真实可见的，比如生物学里的马达蛋白和人们使用的棘轮套筒扳手。利用棘轮效应的原理，人们可将波动且无择优方向的某一变化转化为同向的变化，达到“力往一个方向使”的效果。有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校James F. Cahoon等人报道了一种完全由锯齿形硅纳米线构成的二极管，实现了室温下高频整流。1）作者将半导体硅纳米线调控为圆柱锯齿状，使其中心对称性破坏，具有非对称结构。2）在两端器件测试中，这种特殊的棘轮结构二极管能实现整流功能，原因在于准弹道电子在纳米线表面的镜面反射。由于棘轮效应，室温下的二极管能在高达40 GHz的频率下进行整流。作者认为，本文报道的锯齿形纳米线二极管有望用于高速数据处理和长波能量捕捉。图1. 示意图：（a）准弹道电子的棘轮效应；（b）肖特基二极管能带图；（c）锯齿几何状二极管James P. Custer Jr. et al. Ratcheting quasi-ballistic electrons in silicon geometric diodes at room temperature. Science, 2020.DOI: 10.1126/science.aay8663https://science.sciencemag.org/content/368/6487/177
2. Science：26.7％效率！阴离子工程助力高效稳定钙钛矿-硅串联电池
钙钛矿硅串联太阳能电池的效率受到了宽带隙的钙钛矿顶部电池的限制。最近，NREL的Kai Zhu，Dong Hoe Kim，首尔大学的Jin Young Kim，以及韩国科学技术院Byungha Shin等人开发了一种高性能，稳定的钙钛矿-硅串联太阳能电池。1）钙钛矿的带隙约为1.7eV。对应的电池获得了20.7%效率。在连续照明1000小时后，对应的电池可保留其初始PCE的80％以上。系统地研究了阴离子工程和苯乙铵（PEA）的2D钝化层的电特性和电学特性。2）作为叠层电池的顶部电池，制备的单片钙钛矿-硅串联太阳能电池获得26.7％的效率，具有优异的稳定性。Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites, Science, 2020DOI: 10.1126/science.aba3433https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/25/science.aba3433
3. Nature：半世纪逐梦，半导体硅终将迎来光学革命？
硅作为电子学领域的杰出材料，其优秀的电学特性、高丰度、低成本及出色的可加工性等优势促成了硅技术革命的爆发。然而，硅因其立方晶格结构而导致光吸收和发射效率低下，使其无法在诸多光子学应用中大显身手。近日，Nature杂志报告了一种具有优异光电性能的硅锗合金的开发，可以帮助开发与当前硅电子设备兼容的光子学技术。具体来说，埃因霍芬理工大学Elham M. T. Fadaly和Erik P. A. M.Bakkers等人首次开发了一种具有优异光学性能的六方晶格锗和硅锗合金直接带隙半导体纳米线。这种半导体纳米线材料具有优越的光吸收和发射性能，有望推动第一台半导体硅激光器的问世，并昭示着半导体硅光学革命到来！1）研究人员另辟蹊径，交替使用锗和硅锗合金中的原子堆叠方式，使材料的晶格结构从立方晶格转变为六方晶格。六方晶格的晶胞包含的原子数是立方晶胞的两倍，晶格的改变使其布里渊区面积减半，材料的电子能带在动量空间中折叠，导致导带能量最小的位置移至布里渊区中心，从而产生直接带隙。作者使用量子力学计算确定六方晶体结构中锗和硅锗合金的精确能带结构，从而确认这些材料具有直接带隙。2）作者证明了六方晶格的锗具有光电级直接带隙半导体的作用。此外，他们发现通过将六方晶格的锗与不同量的硅进行合金化，通过控制这种六方晶格硅锗合金的成分，能够在保持直接带隙的同时在很宽的范围内连续调节发射波长。3）本研究中纳米线的直径在几纳米到几百纳米之间，主要起到两个作用：纳米线的高比表面积确保亚稳态晶相的形成；能够使光以最适合光子学应用的方式与纳米线材料相互作用。1. Elham M. T. Fadaly et al. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature 2020, 580, 205–209.https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y2. Nanostructured alloys light the way to silicon-based photonics. Nature 2020, 580, 188-189.https://doi.org/10.1038/d41586-020-00976-83. H. Presting et al. Semicond. Sci. Technol. 1992, 7, 1127.
