新一代半导体即将问世！来自华丽的量子物理学

LED灯和显示器，以及高质量的太阳能电池板诞生于半导体的一场革命，它能有效地将能量转换为光，反之亦然。现在，下一代半导体材料即将问世。在一项新的研究中，研究人员发现，在他们改造照明技术和光电技术的潜力背后，隐藏着古怪的物理现象。将这些新兴所谓“混合半导体”的量子特性与其已有的进行比较，就像是将莫斯科芭蕾舞团比作千斤短跳。由乔治亚理工学院的研究人员领导的一个物理化学家团队称，由量子粒子组成的旋转团在这些新兴材料中波动，可以轻松地创造出非常理想的光电特性，这些相同的性质在现有半导体中是不现实的。

博科园-科学科普：在这些新材料中移动的粒子也参与了材料本身的量子运动，类似于舞蹈者吸引地板与他们一起跳舞。研究人员能够测量舞蹈引起的材料的模式，并将其与新兴材料的量子特性和引入材料的能量联系起来。这些见解可以帮助工程师有效地研究新型半导体。这种新兴材料能够容纳类似于舞者各种古怪的量子粒子运动，这与它在分子水平上的不寻常的灵活性直接相关，就像加入舞蹈的舞池一样。相比之下，现有半导体具有刚性的、直线排列的分子结构，这使得跳舞变成了量子粒子。研究人员检测的混合半导体被称为卤化物有机-无机钙钛矿(HOIP)，这将在底部与“混合”半导体名称一起详细解释。

“混合”半导体是将半导体中常见晶体晶格与一层具有创新d性的材料结合在一起。提升机不仅具有独特的光亮度和节能性能，而且易于生产和应用。乔治亚理工大学化学与生物化学学院的教授卡洛斯·席尔瓦说：一个令人信服的优势是，提升机是在低温下制造，并在溶液中进行处理。生产它们所需的能源要少得多，而且可以大批量生产。席尔瓦与乔治亚理工学院和意大利理工学院的Ajay Ram Srimath Kandada共同领导了这项研究。大多数半导体的小批量生产都需要很高温度，而且它们的表面很硬，但可以在起重机上涂上油漆来生产led、激光器，甚至是窗户玻璃，这些玻璃可以发出从海蓝宝石到紫红色的任何颜色的光。

吊装照明可能只需要很少的能源，而太阳能电池板制造商可以提高光电效率，降低生产成本。由佐治亚理工学院领导的研究小组包括来自比利时蒙斯大学和意大利理工学院研究人员。研究结果于2019年1月14日发表在《自然材料》上。这项研究由美国国家科学基金会、欧盟地平线2020、加拿大自然科学和工程研究理事会、丰德魁北克的pour la Recherche和比利时联邦科学政策办公室资助。光电器件中的半导体可以把光转换成电，也可以把电转换成光。研究人员专注于与后者相关的过程：光发射。让一种材料发光的诀窍，从广义上说，就是把能量应用到材料中的电子上，这样它们就能从围绕原子的轨道上获得量子跃迁，然后当它们跳回到空出的轨道上时，就能以光的形式释放出这种能量。

已建立的半导体可以在严格限制电子运动范围的材料区域捕获电子，然后将能量应用到这些区域，使电子一致地进行量子跃迁，在它们一致地跳下来时发出有用的光。这些是量子阱，材料的二维部分限制了这些量子特性，从而产生了这些特殊的光发射特性。有一种可能更具吸引力的发光方式，这也是新型混合半导体的核心优势。一个电子带负电荷，它被能量激发后空出的轨道叫做电子空穴。电子和空穴可以相互旋转形成一种假想粒子，或准粒子，称为激子。激子的正负吸引被称为结合能，这是一种非常高能的现象，这使得激子非常适合发光。当电子和空穴重新结合时，空穴释放出结合能来发光。但通常，激子很难在半导体中保持。

传统半导体中的激子特性只有在极冷温度下才稳定，但在提升过程中，激子性质在室温下非常稳定。激子从原子中释放出来并在物质中移动。此外，HOIP中的激子可以围绕其他激子旋转，形成准粒子，即双激子。还有更多。激子也会围绕材料晶格中的原子旋转。就像电子和电子空穴产生激子一样，激子绕原子核旋转会产生另一种准粒子，叫做极化子。所有这些作用都会导致激子向极化子转变。我们甚至可以说一些激子呈现出一种“极化子”的细微差别。使所有这些动力学更加复杂的是，提升装置充满了正离子和负离子。这些量子舞蹈的华丽对材料本身有着至关重要的影响。

不同寻常的是，材料中的原子与电子、激子、双激子和极化子共舞，在材料中产生了重复的纳米级凹痕，这些凹痕可以作为波型观察到，随着能量的增加，这些凹痕会发生位移和通量。在基态下，这些波型会以某种方式呈现，但随着能量的增加，激子的表现会有所不同。这改变了波浪模式，这就是我们所测量的。这项研究的关键观察结果是，波型随激子类型(激子、双激子、极化子/非极化子)的不同而变化。这些凹痕也会抓住激子，减缓它们在材料中的移动速度，所有这些华丽的动力学可能会影响光发射的质量。

该材料为卤化物有机-无机钙钛矿，是由两个无机晶格层构成的夹层，中间夹有一些有机材料，形成有机-无机杂化材料，量子作用发生在晶格中。中间的有机层就像一层橡皮筋，使水晶格子变成一个摇摆但稳定的舞池。此外，提升机与许多非共价键连接在一起，使材料柔软。晶体的单个单位以一种叫做钙钛矿形式存在，它是一种非常均匀的钻石形状，中间是一种金属，而像氯或碘这样的卤素在点上，因此被称为“卤化物”，在这项研究中，研究人员使用了含有公式(PEA)2PbI4的二维模型。

博科园-科学科普｜研究/来自：乔治亚理工学院

Ben Brumfield, Georgia Institute of Technology

参考期刊文献:《Nature Materials》

论文DOI: 10.1038/s41563-018-0262-7

博科园-传递宇宙科学之美

信息与通信工程系DGIST(大邱京畿道科学技术研究所)开发了一种基于石墨烯的高性能传输线，与现有的高频金属相比，它具有更高的电子运行速度。

这将大大促进下一代高速半导体和通信设备的发展，其处理速度将大大超过现有的半导体和通信设备。

DGIST宣布，Jae Eun Jang教授的团队在信息与通信工程系研究单层石墨烯的高频传输特性，并开发了一种高性能的高频传输线，增加了石墨烯内部的器件浓度。

这一结果表明，高频传输的特性有了很大的改善，可以替代现有高速半导体加工中使用的金属，有望在未来作为石墨烯的传输线。

由于半导体器件集成度高、速度快，器件间传输信号的金属丝电阻呈几何级数增长，达到了允许电流密度的极限。为了解决这一问题，石墨烯、碳纳米管等碳基纳米结构被认为是现有金属的替代品，作为下一代新材料受到人们的关注。

然而，石墨烯有一个非常薄的0.3纳米碳六角形阵列，导电率是铜的100倍，电子迁移率是硅的100倍。因此，它被认为是一种电子材料，可以取代现有的金属和半导体材料。但纯石墨烯的器件浓度过低，为1012 cm2，具有纳米级的薄结构特征，导致石墨烯电阻过高。

为了克服这些限制，Jang的团队进行了一项研究，通过提高石墨烯内部的器件浓度来改善石墨烯的高频传输特性。通过石墨烯和非晶态碳的结合，研究小组提高了石墨烯的器件浓度，增强了石墨烯的电特性。增加石墨烯的高频传输为-8dB，可与数百纳米尺寸的金属纳米线相媲美。

该团队还证明石墨烯内部的缺陷降低了石墨烯的高频传输，并开发了一种新的、稳定的掺杂技术，将内部缺陷最小化。这种新的掺杂技术使石墨烯器件浓度增加了2倍1013cm2，并表现出稳定的热性能和电特性。

张教授的研究团队开发的高频石墨烯传输线信号传输效率高，运行稳定，可应用于现有半导体行业的金属布线加工以及下一代集成电路。

信息与通信工程系的Jae Eun Jang教授说:“除了设备技术，传输线也是半导体研究领域的一项非常重要的技术。我们开发了一种核心基础技术，可以增强石墨烯的高频传输，可作为下一代传输线。由于纳米工程、电子工程、物理等领域专家的汇聚研究成果，我们希望将石墨烯应用于MMIC、RFIC等高频电路。

本研究是在韩国 科技 部和ICT部以及韩国国家研究基金基础研究项目的支持下进行的，被选为《先进功能材料》封面论文。

欧洲半导体工艺研发机构IMEC总裁Luc Van den hove 日前透露，IMEC将在2015年以后，有选择地对部分450毫米硅片关键工艺形成研发能力，这些关键工艺包括光刻和晶体管控制栅的制造。

Van den hove 认为，在2015以前，市场上很难找到成熟的关键设备和工具。以光刻设备为例，尽管目前技术规格的EUV 光刻机在对光学部分进行一定改造后，勉强可以用于450毫米硅片，但大的加速度因子使得系统的稳定性和可维护性都不理想。

IMEC已经在开始改造其300毫米硅片生产的净化室，以便将来可以容纳450毫米硅片生产设备，但这将是2015年或更久以后的事情。IMEC称，基于成本和保持IMEC核心竞争力等因素的考虑，净化室的改造将同时兼顾300毫米硅片和450毫米硅片的研发，而450毫米硅片生产设备的引入将遵循循序渐进、逐步过渡的原则，形成完整的450毫米硅片的研发能力将是一个漫长的过程。

和这家欧洲主要的半导体工艺研发机构的保守计划形成对照，美国则计划以纽约州Albany大学的纳米研究中心为基地，一步到位地建立一个450毫米硅片工艺实验生产线。

纽约州州长Andrew Cuomor上个月表示，包括Intel、IBM、GlobalFoundries、TSMC 和Samsung在内的全球五大领先半导体制造商已经决定形成一个工业联合体，以推进下一代18英寸晶圆制造换代的进程。联合体在未来5年里计划投入44亿美元，在纽约州Albany大学建立一个450毫米硅片制造实验生产线，纽约州将贡献总投资中的4亿美元。

与此相关，欧洲半导体工艺研发能力的衰退对中国半导体制造业缩短和世界的差距是不利的，毕竟IMEC作为一个商业性的半导体研发机构为中国的半导体工厂培养过一批人才，而在未来的10年里，美国恐怕不会实质性地改变对中国的技术出口管制政策，到时中国工程师可能花钱也无法得到在美国学习450毫米工艺的机会。

---