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

2023-01-19 14:16

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。

（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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