全球首個(gè)無(wú)半導體的微電子器件問(wèn)世 導電性能增加10倍

　　近日，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校(University of California San Diego)的工程師利用超材料(metamaterials)研發(fā)出世界上首個(gè)無(wú)半導體的光控微電子器件，該電子器件僅在低電壓、低功率激光的激發(fā)下，導電性能相比傳統增加10倍。該技術(shù)有利于制造更快、更高功率的微電子器件，并有望制造更高效的太陽(yáng)能電池板。

　　該研究發(fā)表于11月4日的國際期刊《Nature Communications》。

　　無(wú)半導體電子器件。圖片來(lái)源：UCSan Diego Applied Electromagnetics Group

　　現有的傳統微電子器件，如晶體管等，其性能最終都會(huì )受到其構成材料性能的限制。例如，半導體本身的性質(zhì)限制了器件的導電性或電子流。因為半導體有所謂的帶隙，這就意味著(zhù)需要施加一定的外部能量來(lái)促使電子躍過(guò)帶隙。此外，電子速度也是有限制的，因為當電子通過(guò)半導體時(shí)，總是會(huì )與半導體內部的原子發(fā)生相互碰撞。

　　UC San Diego電氣工程學(xué)教授丹·西文皮珀(Dan Sievenpiper)帶領(lǐng)的應用電磁學(xué)小組(AppliedElectromagnetics Group)探索了利用空間自由電子替代半導體的方法來(lái)克服傳統電子器件的局限性。該研究的第一作者易卜拉辛·佛拉狄(EbrahimForati)說(shuō)：“并且，我們希望在微觀(guān)上實(shí)現。“

　　然而，從材料中釋放電子的過(guò)程很有挑戰性。這個(gè)過(guò)程要么需要施加高電壓(至少100伏特)以及大功率紫外激光，要么需要極高的溫度(超過(guò)1000華氏溫度)，這在微米和納米級的電子器件上是不切實(shí)際的。

　　無(wú)半導體微電子器件(左上)及其上的Au超穎表面(右上，下)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖片來(lái)源：UC San Diego Applied Electromagnetics Group

　　為了應對這一挑戰，西文皮珀團隊設計了一個(gè)可以從材料中釋放電子的光電放射微型器件，并且釋放條件并沒(méi)那么苛刻。

　　該器件由硅片基底、二氧化硅隔層以及頂部一層稱(chēng)為“超穎表面”(metasurface)的工程表面組成。超穎表面由平行的條狀Au(金)陣列以及其上的蘑菇狀Au納米結構陣列組成。

　　Au超穎表面的設計目的是，當同時(shí)施加直流低電壓(低于10伏特)以及低功率紅外激光時(shí)，超穎表面會(huì )產(chǎn)生具有高強度電場(chǎng)的“熱點(diǎn)”(hot spots)，這些“熱點(diǎn)”的能量足以將電子從金屬中“拉”出來(lái)，從而釋放自由電子。

　　器件測試結果顯示，其導電率增強了10倍之多。易卜拉辛說(shuō)：“這意味著(zhù)可以操控更多的自由電子”。

　　西文皮珀說(shuō)： “當然，這并不會(huì )取代所有的半導體器件，但是對于某些特定應用來(lái)說(shuō)，這可能是最佳方案，比如高頻率或高功率器件等。”

　　研究者稱(chēng)，目前這個(gè)特殊的Au超穎表面只是概念驗證性設計，針對不同類(lèi)型的微電子器件，還需要進(jìn)行不同超穎表面的設計及優(yōu)化。研究者稱(chēng)，下一步還需了解這些器件的擴展性以及其性能的局限性。”

　　除了電子器件應用方面，該團隊還在探索這項技術(shù)的其他應用，例如光化學(xué)，光催化等，以期能夠實(shí)現新型光伏器件或環(huán)境應用器件。