一種新型硅，有望徹底改變半導體行業

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半導體行業觀察

一種新型硅，有望徹底改變半導體行業

1年前

一種新型硅，有望徹底改變半導體行業

來源：內容由半導體行業觀察編譯自phys，謝謝。

在一項爲期 10 年的意外开始並遭到懷疑的研究之後，東北大學機械工程師團隊能夠合成高密度、超窄的硅納米线，從而徹底改變半導體行業。他們的研究發表在Nature Communications上。

東北大學機械與工業工程教授 Yung Joon Jung 說，這可能是他最喜歡的研究項目。

“一切都是新的，它需要很大的毅力，”Jung 說，他專門研究納米結構系統的工程和應用，之前研究過碳納米管。

Jung 和他的合作者，包括另一位東北部機械工程教授 Moneesh Upmanyu通過發現一種新的、高密度的硅形式並掌握一種新的、可擴展的無催化劑蝕刻工藝來生產超小尺寸，在直徑爲 2 到 5 納米的硅納米线合成方面取得了重大進展。

大約 10 年前，學生們將 Jung 的注意力帶到了他們使用硅晶片進行的一項實驗的一個不同尋常的結果上。Jung說，他在電子顯微鏡下看到的材料與他們打算生產的材料不同。

Jung說，他決定進一步了解這種物質，並發現它是具有“非常、非常微小”的线狀納米結構的硅。他說，他們能夠復制新材料，但是當他們試圖改進合成過程時，納米线並沒有生長。

這位科學家和他的團隊不得不從頭开始倒帶研究合成機制以及材料的原子級結構和特性。實驗家Jung決定招募 Upmanyu，他使用理論、計算機建模和模擬來理解材料和解釋實驗。

“我總是需要Moneesh 的幫助來了解正在發生的事情，”Jung說。

科學家們認爲，在合成過程中由硅晶片產生的物質可能根本不是硅。Upmanyu 說，這種材料具有高度壓縮的結構，與普通硅相比減少了 10% 到 20%，而普通硅在這種壓縮狀態下通常是不穩定的。

他們的一些同事和研究審稿人持有相同的觀點。“他們會說，'這不應該是硅'或'這不應該發生在硅身上，'”Jung 說。

他說，通過計算分析和建模，Upmanyu 能夠證明，盡管具有不同尋常的特性，但這種新材料是一種硅形式，頂部有一層非常薄的氧化物，這可能有助於維持壓縮。

“這種材料非常有前途，”他說。“我覺得這種壓縮是你看到的所有有趣特性的核心。”

Upmanyu 說，硅被廣泛用作計算機芯片、集成電路、晶體管、硅二極管和液晶顯示器等微電子領域的半導體的原因之一是它便宜且豐富。根據英國皇家化學會的說法，它是地殼中僅次於氧的第二豐富元素，但它在自然界中並非以其純淨、未結合的狀態存在。它可以在沙子、石英、燧石、花崗巖、雲母和粘土以及其他石頭和礦物中找到。

1970年代，欣欣向榮的硅電腦芯片產業甚至給舊金山灣的南部地區起了一個新的名字——“硅谷”——這個名字被《電子新聞》雜志的記者Don Hoefler推廣开來。

然而，傳統的硅無法承受高溫，因此僅限於低功率應用。它的帶隙爲 1.11 電子伏特（帶隙決定了半導體材料中的電子在受到外部源刺激時導電所需的能量）。

Jung說，這種新材料具有 4.16 eV 的超寬禁帶寬度——這是一項世界紀錄。超寬帶隙意味着材料需要更大的刺激才能導電，但可以在高功率、高溫和高頻下工作。Jung說，由這種新材料生產的硅納米线將適用於電力電子、晶體管、二極管和 LED 設備。

與普通硅不同，這種新材料具有很強的抗氧化性。它也是光致發光的——能夠發出藍光和紫光，可用於紫外线照明和藍光二極管。

Jung和他的研究團隊還創造了一種生產硅納米线的新方法，稱爲化學氣相蝕刻，該方法去除材料而不是生長晶體。因此，他們可以制造出比目前商業上使用的硅納米线小 10 到 20 倍的納米线。

先前已知的納米线合成工藝使用催化劑顆粒來生長硅晶體。

“無催化劑方面怎么強調都不爲過，因爲它消除了在合成後去除催化劑的需要，這總是會降低納米线的功能特性，”Jung 說。

他說，有時，催化劑顆粒會成爲納米线表面的一部分，幾乎不可能去除它們。

在這一點上，科學家們可以復制控制長度高達 100 微米的納米线。

“我覺得未來會產生廣泛的影響，”Upmanyu 說。“他 [Jung] 开創的這種化學氣相蝕刻方法將可用於許多其他材料……您不僅可以考慮電子應用，還可以考慮任何想要獲得小尺寸尺寸的應用材料制成。……它非常強大。”

他說，新的硅材料對半導體行業應該很有吸引力。它可用於軍用無线電、雷達和太陽能電池等光伏設備。Upmanyu 說，常規的硅帶隙不允許處理紫外线並將其用於發電。

“所以，如果你有一種便宜、豐富的寬帶隙材料，就像硅一樣，現在你就可以擁有非常高效的太陽能電池，”他說。