半導體霸主再登國際頂刊：靈敏度提高1億倍，尺寸減少4個數量級

超聲波探測器使用高頻聲波對物體成像並測量距離，但是這些讀數的解析度受到探測元件物理尺寸的限制。點狀寬帶超聲檢測可以極大地提高超聲檢查和光聲（光聲）成像的解析度，但是當前的超聲探測器（例如用於醫學成像的超聲探測器）還無法充分小型化。

壓電換能器會隨著尺寸減小而使靈敏度以2次方降低，光學微環諧振器和法布裡-珀羅(Fabry-Perot)標準具無法將光充分限制在小於50微米的範圍內。微機械加工方法已經用於產生電容和壓電換能器的陣列，但是其帶寬僅為幾兆赫茲，尺寸超過70微米。

使用光學方法進行超聲波檢測比壓電檢測具有本質上的微型化優勢，可以在不犧牲靈敏度的情況下將檢測器小型化。一個常見的例子是光學幹涉儀，它使用嵌入光纖波導中的π位移布拉格光柵標準具。在這種配置中，超聲波會擾動兩個布拉格光柵之間建立的光學腔的長度和折射率，從而改變其共振特性。

問題在於，較大的感測長度（100–300μm）和較窄的帶寬（10–30 MHz）不允許進行點狀檢測，從而限制了解析度和小型化潛力。其他諧振器設計包括聚合物微或法布裡-珀羅(Fabry-Perot)標準具也無法將光充分限制在小於50微米的範圍內，從而限制了進一步的小型化。

有鑑於此，德國慕尼黑工業大學Vasilis Ntziachristos和Rami Shnaiderman等人引入絕緣體上矽技術（silicon-on-insulator），開發了一種小型化的超聲波探測器，它的感應面積可小到220 nm X 500 nm。

圖1. SWED設計與工作原理

基於半導體行業廣泛使用的高通量製造技術，研究團隊設計了一個點狀矽波導標準具檢測器（SWED），尺寸為220 nm×500 nm，比最小的聚合物微環檢測器小4個數量級，比細胞和毛細血管的直徑小4個數量級。

研究表明，基於絕緣體上矽的光學諧振器設計提供了比微環諧振器高1000倍、比壓電探測器好100,000,000倍的單位面積靈敏度。該設計還可以實現超寬的檢測帶寬，在−6分貝時可達到230兆赫。

圖2. SWED表徵

圖3. 成像功能

除了使探測器適合在非常密集的陣列中製造外，研究人員還表明亞微米傳感區域能夠實現超解析度的探測和成像性能。還展示了比超聲波檢測波長小50倍的特徵成像。

總之，這項研究表明探測器能夠實現超聲波讀數的超小型化，使超聲成像的解析度與光學顯微鏡相當，並有可能在矽晶片上開發出非常密集的超聲陣列。

參考文獻：

Rami Shnaiderman et al. A submicrometre silicon-on-insulator resonator for ultrasound detection. Nature 2020, 585, 372–378.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2685-y

半導體矽在電學性質、儲量、成本、可加工性等方面佔足了優勢。同樣，矽也在鋰離子電池、太陽能電池、含矽化工品製備等領域具有廣泛用途。然而，發展到今天，矽無論是在信息還是能源領域均遇到了基礎的瓶頸問題，限制了矽基器件性能的進一步提升。

作為半導體領域的絕對霸主，矽材料可謂老當益壯！2020年以來連續在多個領域煥發新活力。除了剛剛這篇Nature之外，Science/Nature近期還連續刊登了3篇有關半導體矽基光電器件的研究論文，其中兩篇論文的關鍵為矽（基）材料的設計/改性，另一篇則報導了陰離子工程提高串聯太陽能電池的效率，解讀如下，敬請交流。

1. Science：棘輪效應助力二極體高頻整流！

傳統二極體通過兩不同半導體形成的結從而實現整流，具有肖特基勢壘的金屬-半導體二極體就是一個典例。在這類器件中，電容阻礙了工作頻率的進一步提升。

棘輪效應是指事物的變化具有不可逆性，即易於向某一方向調整，而難於向相反方向調整。例如，消費者易於隨收入的提高增加消費，但不易於因收入降低而減少消費。實際上，棘輪效應在自然界和人類的生產生活中是真實可見的，比如生物學裡的馬達蛋白和人們使用的棘輪套筒扳手。利用棘輪效應的原理，人們可將波動且無擇優方向的某一變化轉化為同向的變化，達到「力往一個方向使」的效果。

有鑑於此，北卡羅來納大學教堂山分校James F. Cahoon等人報導了一種完全由鋸齒形矽納米線構成的二極體，實現了室溫下高頻整流。

本文要點：

1）作者將半導體矽納米線調控為圓柱鋸齒狀，使其中心對稱性破壞，具有非對稱結構。

2）在兩端器件測試中，這種特殊的棘輪結構二極體能實現整流功能，原因在於準彈道電子在納米線表面的鏡面反射。由於棘輪效應，室溫下的二極體能在高達40 GHz的頻率下進行整流。

作者認為，本文報導的鋸齒形納米線二極體有望用於高速數據處理和長波能量捕捉。

圖1. 示意圖：（a）準彈道電子的棘輪效應；（b）肖特基二極體能帶圖；（c）鋸齒幾何狀二極體

圖2. 鋸齒狀Si納米線的設計

參考文獻：

James P. Custer Jr. et al. Ratcheting quasi-ballistic electrons in silicon geometric diodes at room temperature. Science, 2020.

DOI: 10.1126/science.aay8663

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/177

2. Science：26.7％效率！陰離子工程助力高效穩定鈣鈦礦-矽串聯電池

鈣鈦礦矽串聯太陽能電池的效率受到了寬帶隙的鈣鈦礦頂部電池的限制。最近，NREL的Kai Zhu，Dong Hoe Kim，首爾大學的Jin Young Kim，以及韓國科學技術院Byungha Shin等人開發了一種高性能，穩定的鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池。

工作要點：

1）鈣鈦礦的帶隙約為1.7eV。對應的電池獲得了20.7%效率。在連續照明1000小時後，對應的電池可保留其初始PCE的80％以上。系統地研究了陰離子工程和苯乙銨（PEA）的2D鈍化層的電特性和電學特性。

2）作為疊層電池的頂部電池，製備的單片鈣鈦礦-矽串聯太陽能電池獲得26.7％的效率，具有優異的穩定性。

參考文獻：

Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites, Science, 2020

DOI: 10.1126/science.aba3433

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/25/science.aba3433

3. Nature：半世紀逐夢，半導體矽終將迎來光學革命？

矽作為電子學領域的傑出材料，其優秀的電學特性、高豐度、低成本及出色的可加工性等優勢促成了矽技術革命的爆發。然而，矽因其立方晶格結構而導致光吸收和發射效率低下，使其無法在諸多光子學應用中大顯身手。近日，Nature雜誌報告了一種具有優異光電性能的矽鍺合金的開發，可以幫助開發與當前矽電子設備兼容的光子學技術。

具體來說，埃因霍芬理工大學Elham M. T. Fadaly和Erik P. A. M.Bakkers等人首次開發了一種具有優異光學性能的六方晶格鍺和矽鍺合金直接帶隙半導體納米線。這種半導體納米線材料具有優越的光吸收和發射性能，有望推動第一臺半導體矽雷射器的問世，並昭示著半導體矽光學革命到來！

本文要點：

1）研究人員另闢蹊徑，交替使用鍺和矽鍺合金中的原子堆疊方式，使材料的晶格結構從立方晶格轉變為六方晶格。六方晶格的晶胞包含的原子數是立方晶胞的兩倍，晶格的改變使其布裡淵區面積減半，材料的電子能帶在動量空間中摺疊，導致導帶能量最小的位置移至布裡淵區中心，從而產生直接帶隙。作者使用量子力學計算確定六方晶體結構中鍺和矽鍺合金的精確能帶結構，從而確認這些材料具有直接帶隙。

2）作者證明了六方晶格的鍺具有光電級直接帶隙半導體的作用。此外，他們發現通過將六方晶格的鍺與不同量的矽進行合金化，通過控制這種六方晶格矽鍺合金的成分，能夠在保持直接帶隙的同時在很寬的範圍內連續調節發射波長。

3）本研究中納米線的直徑在幾納米到幾百納米之間，主要起到兩個作用：納米線的高比表面積確保亞穩態晶相的形成；能夠使光以最適合光子學應用的方式與納米線材料相互作用。

圖1. GaAs/Ge核殼納米線概述

圖2. 立方晶格的矽及六方晶格的矽鍺合金

圖3. 直接帶隙矽鍺合金的可調性

參考文獻：

1. Elham M. T. Fadaly et al. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature 2020, 580, 205–209.

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y

2. Nanostructured alloys light the way to silicon-based photonics. Nature 2020, 580, 188-189.

https://doi.org/10.1038/d41586-020-00976-8

3. H. Presting et al. Semicond. Sci. Technol. 1992, 7, 1127.

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