德州大学开发出半导体测量灵敏度提升10万倍的新技术

UT（德州大学，University of Texas）研究人员开发出一种半导体测量新技术，这项技术的灵敏度比以往测量技术提升了10万倍。

UT电气与计算机工程专业的研究生Sukrith Dev与UT中红外光学研究小组的电气与计算机工程副教授Daniel Wasserman共同完成了该研究。

比起现有技术，该项新测量技术的优势在于小尺寸表征材料的能力得到显著增强，这将加速二维、微尺寸和纳米尺寸材料的发现和研究。特别是在电子和光学器件尺寸不断缩小的大趋势下，实现精确测量小尺寸半导体材料特性将有助于工程师确定材料的应用范围。

Dev认为：“新技术可以提升大家对红外传感器技术的认识，并为夜视、自由空间通信开辟出有前景的新方向！本质上，我们的新技术可以更灵敏地获取一种叫做载流子寿命（carrier lifetime）的材料特性，这将有助于确定材料质量并确定其潜在应用。”

光电材料中电子保持“光激发”状态或产生电信号的时间长短，是该材料在光电检测应用中潜在质量的可靠指标。目前用于测量光激发电子载流子动力学或寿命的方法，成本高、复杂且精度有限。

Dev进一步解释道：“当某些半导体材料受到光照时，电子会被激发并暂时自由。载流子寿命是指这些自由电子在重新结合到各自位置之前保持激发的时间。载流子寿命是重要的材料参数，它是体现材料整体光学质量的重要指标，同时它也决定了某种材料用于光电探测器的应用范围。例如，如果想提升通信能力，就需要载流子寿命相当短的材料。如果想要如热成像等灵敏度非常高的器件，那就需要载流子寿命很长的材料。”

Dev和Wasserman的策略较为独特，他们使用光信号来调制微波信号，这与传统测试方法正相反。

Dev说：“传统测试方法的问题在于，必须收集光且其辐射能力真的很差。但由于我们将微波限制在很小的脉冲容量内，因此我们的技术可以使它更加灵敏。”

Dev认为：“有了这项技术，未来可以开发出更灵敏的红外传感器。同时，这项技术可能有助于自由空间通信或带宽的提升，并为电磁学和固体物理学的研究开辟新领域。”

UT电气工程专业大二学生Mihir Shah表达了他对半导体和固态物理领域的热情。Shah说：“我认为，如今 探索 用于计算的新领域比以往任何时候都更加重要。我很愿意在光子集成电路领域做些研究，以便看到在如今电子生态系统中有更多光子系统的应用。”

UT电气工程专业大二学生Jaime Tan Leon则认为，电子领域的研究将越来越重要。Tan Leon说：“电气工程师在解决问题中发挥着关键作用。对工程师来说，现在研究提升灵敏度和质量的新想法对未来非常重要。”

在65nm时代，漏电一直是降低处理器良品率、阻碍性能提升和减少功耗的重要因素。而随着处理器采用了45nm工艺，相应的核心面积会减少，导致单位面积的能量密度大幅增高，漏电问题将更加凸显，如果不很好解决，功耗反而会随之增大。而传统的二氧化硅栅极介电质的工艺已遇到瓶颈，无法满足45nm处理器的要求，因此为了能够很好的解决漏电问题，Intel采用了铪基High-K(高K)栅电介质+Metal Gate(金属栅)电极叠层技术。

相比传统工艺，High-K金属栅极工艺可使漏电减少10倍之多，使功耗也能得到很好的控制。而且，如果在相同功耗下，理论上性能可提升20％左右。正是得益于这种新技术，Intel的45nm工艺在令晶体管密度提升近2倍，增加处理器的晶体管总数或缩小处理器体积的同时，还能提供更高的性能和更低的功耗，令产品更具竞争力。

此外，我们要知道High-K栅电介质技术，相比以往的氮氧化合物/多晶硅栅堆叠技术成本会有所增加，而Intel为了保持工艺技术上的领先，不惜高成本采用了High-K栅电介质技术，我们也可以看出Intel对45nm处理器能否取得成功相当重视。而由于High-k闸极电介质和现有硅闸极并不兼容，Intel全新45nm晶体管设计也必须开发新金属闸极材料，目前新金属的细节仍属商业机密，Intel现阶段尚未说明其金属材料的组合。

近期，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究人员在聚合物半导体的自旋流探测及其薄膜结构-自旋传输性能关系研究中取得新进展，相关研究成果在美国化学会(ACS)旗下期刊《ACS应用材料和界面》(ACS App lied Materials &Interfaces)上在线发表。

有机半导体材料具有微弱自旋-轨道耦合和超精细相互作用，可作为有前途的自旋极化传输介质，因此寻找新型有机自旋电子材料、 探索 其自旋极化传输过程和机制具有重要意义。此前这方面研究大多通过制备有机自旋阀器件来测量携带着自旋极化的电子传输，但存在铁磁/半导体界面的电导失配等问题，严重制约了对有机半导体自旋传输特性定量深入研究。近年来，自旋泵浦激发和探测纯自旋流（不伴随净电荷电流）由于能克服界面电导失配问题，逐渐成为 探索 半导体材料本征自旋传输性质的有力手段。

强磁场中心张发培课题组与研究员童伟合作，采用铁磁共振(FMR)自旋泵浦技术 结合 逆自旋Hall效应（ISHE）测量，研究了新型聚合物半导体PBDTTT-C-T的自旋极化传输特性。他们通过设计一种适合低噪声电压测量的样品架，在NiFe/聚合物/Pt三明治结构中探测到清晰的ISHE信号，通过测量ISHE电压随PBDTTT层厚度的变化，观察到PBDTTT层中纯自旋流传输和长的自旋驰豫时间。

令人吃惊的是，研究人员首次利用半导体/绝缘体聚合物共混薄膜作为自旋极化传输介质，在低含量PBDTTT与绝缘的聚苯乙烯(PS)形成的共混薄膜中，仍能测量到很强的ISHE电压信号，并发现共混薄膜的自旋扩散长度和载流子迁移率相对于“纯”PBDTTT薄膜有显著的提高。他们通过综合性薄膜微结构测量发现，PBDTTT骨架链bundle在绝缘的PS基体中形成相互连通的纳米细丝网络，构成 贯穿 薄膜的快速电荷传导通路，可以解释共混薄膜更高的电荷和自旋传输能力。此外，还发现PBDTTT的自旋扩散长度具有弱的温度依存性，与基于自旋-轨道耦合的自旋弛豫机制一致。

这些结果清楚地表明，有机半导体的薄膜结构特性，如分子取向和堆积方式以及薄膜形貌等，对其自旋传输性能有关键性的影响。该工作对理解有机半导体自旋极化传输微观过程和机制有重要意义，并为寻找低成本、高性能有机自旋电子材料提供新途径。

该项研究获得国家自然科学基金项目以及国家重点研发项目的支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b16602

图(a) Py/PBDTTT-C-T/Pt三明治结构器件上ISHE效应的产生，(b) 该器件所测的总电压谱（随磁场变化）及其退卷积。其中VLorentz对应于ISHE电压，(c) ISHE电压分别随PBDTTT-C-T介质层和PBDTTT/PS共混膜介质层厚度的变化。由此推算出聚合物薄膜不同的自旋扩散长度ls。

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