Новый метод трехмерной оптической диагностики, разработанный учеными из научного центра LIFT, позволяет определить кристаллическую микроструктуру полупроводника с разрешением менее 1 мкм на глубине до 2 мм — там, куда раньше не проникали даже лучшие электронные микроскопы. Он позволит создавать передовые устройства для неинвазивной и безопасной медицинской диагностики и квантовых вычислений. Исследование опубликовано в Journal of Applied Physics.
Сегодня полупроводниковые технологии используются повсюду: от высокотехнологичных лазерных установок до микросхем в бытовых приборах. Ключевым материалом для производства полупроводников является кремний или его производные. Однако ученые находят альтернативные полупроводниковые материалы с уникальными свойствами. Например, для создания лазеров, детекторов и различных элементов микроэлектроники все большую популярность приобретают бинарные полупроводниковые соединения (материалы, состоящие из двух химических элементов).
С применением бинарных полупроводниковых соединений на практике существует проблема — даже малейшее несовершенство внутренней структуры критически влияет на их применимость для микросхем. Такие материалы состоят из ячеек микронного размера — кристаллических зерен, от их ориентации и расположения зависят физические характеристики материала: от механической прочности до способности проводить электрический ток.
Внутреннюю кристаллическую структуру таких материалов обычно оценивают с помощью просвечивающей электронной микроскопии, но возможности этих методов ограничены — они подходят только для очень «тонких» образцов, так как не способны проникнуть вглубь структуры материала более чем на сто нанометров.
Ученые LIFT разработали первую в мире методику, которая позволяет проанализировать микроструктуру изотропных бинарных полупроводниковых соединений на глубине до 2 мм с высоким пространственным разрешением. Методика диагностики основана на применении поляризационной микроскопии генерации второй гармоники. При помощи жестко сфокусированного инфракрасного лазера исследователи послойно сканируют весь объем полупроводника. В то же время высокочувствительные детекторы в реальном времени регистрируют и обрабатывают ответный сигнал, возникающий в проводнике на удвоенной частоте (второй гармонике). Параметры излучения лазера подбираются таким образом, чтобы свет проходил вглубь материала, не разрушая его.
Классическая поляризационная микроскопия не видит различий между кристаллическими зернами в таких материалах. Тогда как предложенный метод чувствует границы между ними через генерацию второй гармоники, то есть света на удвоенной частоте, тем самым определяя размер, форму и ориентацию зерен в пространстве.
Методика уникальна по нескольким причинам. Во-первых, она позволяет получать высококонтрастные изображения с разрешением до 900 нм. Во-вторых, в отличие от существующих методов исследования, новый подход дает возможность сканировать внутреннюю структуру материала на заранее заданной глубине без повреждения и разрушения образца. В-третьих, высокая скорость и простота методики позволяет реализовать системы диагностики реального времени.
Разработанный метод позволяет не только «увидеть» структуру полупроводника, но и управлять качеством устройств на этапе производства — а значит, делать квантовые компьютеры, лазеры и медицинские сенсоры более эффективными и надежными.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
