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日本科学家研发超快激光结构技术,可替代光刻技术生产晶体管

通过使用钛:蓝宝石(Ti:Sapphire)激光和中红外自由电子激光来构造硅,日本科学家们已经证明了激光诱导的周期性表面结构(LIPSS)是如何随激光性质而发生变化的。

这项发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的成果,有利于推进LIPSS的广泛应用,以实现光电器件生产中简单、经济和易于获得的纳米结构表面制造。

在亚微米尺度上创造结构的能力,对于生产用于光电子器件的晶体管和其他部件至关重要——随着对额外计算能力、存储和能源效率的需求的增长,这些器件也正不断缩小。当下,这种制造是通过光刻和电子束光刻等方法来解决的。然而,这些方法通常复杂且极其昂贵,并且不容易加以实际应用,需要高水平的专业知识。

日本科学家研发超快激光结构技术,可替代光刻技术生产晶体管

(图片来源:Nagoya Institute of Technology

而近年来,LIPSS已经成为一种新颖和有前景的替代方法。这种方法中,飞秒激光被用于传递超短激光脉冲,这些脉冲自发地导致在表面形成比激光波长小得多的周期图案。

为了实现更标准化的LIPSS生产,了解所使用的激光源如何影响成型表面结构的质量是至关重要的,即根据衬底的结晶度以及缺陷和应变的潜在可能性。

为了实现这一目标,日本名古屋工业大学(Nagoya Institute of Technology)牵头与大阪大学、东海大学、京都大学和日本原子能机构(JAEA)合作,直接研究了受激光源选择影响的各种参数。

科学家们在硅衬底上使用了两种不同的飞秒激光器(注:硅衬底是一种广泛用于光电子设备的材料)。在一项实验中,使用波长为0.8 μm的Ti:Sapphire激光器以高于带隙能量的方式构建硅。在另一个实验中,使用了波长为11.4μm(中红外)的自由电子激光器,可以探测能量低于样品带隙能量时的效应。

他们对所制备的LIPSS样品进行了微观和宏观分析。通过透射电子显微镜(TEM)研究了微观结晶度和纯度,同时使用同步加速器高能X射线衍射研究了更宏观的应变和更宽结构的稳定性。

名古屋工业大学的Reina Miyagawa博士表示:“当使用Ti:Sapphire激光器时,观察到的LIPSS保留了硅的高晶体性质,但似乎承担了一些残余应变。相比之下,中红外自由电子激光形成的LIPSS导致了一些清晰可见的缺陷。然而,该系统没有任何可观察到的压力。”

研究结果表明,如何通过适当的激光选择,通过控制其缺陷、应变和周期性,对LIPSS进行调谐和定制,以适应特定的应用。根据研究人员的说法,沿着这些方向的继续研究将进一步打开LIPSS广泛应用的途径,以实现低成本、简单、易于制造的纳米结构表面,应用于广泛的光电子器件。

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