在開發(fā)更高能效電子器件的競爭中，理解原子尺度的材料特性至關(guān)重要。光學(xué)光譜技術(shù)——這種利用光對材料進(jìn)行表征的非侵入性分析方法，無疑是推動(dòng)半導(dǎo)體研究發(fā)展的基石技術(shù)之一。從拉曼光譜到橢圓偏振術(shù)，這些技術(shù)讓研究人員能夠以前所未有的精度探索半導(dǎo)體材料的奧秘。

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展

拉曼光譜技術(shù)在測量半導(dǎo)體材料結(jié)晶度方面尤為有效，例如碳化硅(SiC)、銅銦鎵硒(CIGS)和碲化鎘(CdTe)。該技術(shù)基于光子與分子的非彈性散射現(xiàn)象：當(dāng)入射光與材料晶格振動(dòng)相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可測量的能量偏移(即拉曼位移)。這種位移如同光譜指紋，可用于識(shí)別半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的晶相、缺陷及應(yīng)力狀態(tài)——這些參數(shù)對優(yōu)化電子器件性能與制造工藝至關(guān)重要。

光致發(fā)光光譜技術(shù)則是將特定波長的光照射到材料表面，使內(nèi)部電子受激躍遷至高能級。當(dāng)電子回落到低能態(tài)時(shí)，會(huì)釋放出可被光譜儀探測的光(見圖1)。通過分析產(chǎn)生的光譜，不僅能獲取材料的組分信息，還能精準(zhǔn)檢測缺陷。對于碳化硅等晶體材料，該技術(shù)甚至能依據(jù)數(shù)據(jù)特異性解析晶格缺陷的內(nèi)部應(yīng)力分布。

自20世紀(jì)60年代以來，橢圓偏振術(shù)已發(fā)展到能夠精確測量微電子器件中納米級薄膜的靈敏度。其工作原理是向材料表面投射偏振光，通過檢測光線與材料相互作用后偏振狀態(tài)的變化，并結(jié)合樣品理論模型進(jìn)行分析，從而解析出材料的光學(xué)特性與厚度等關(guān)鍵參數(shù)。因此，該技術(shù)主要應(yīng)用于測定薄膜厚度與光學(xué)常數(shù)，同時(shí)也可用于表征材料成分、摻雜濃度及結(jié)晶度等信息。

光學(xué)光譜技術(shù)對新興半導(dǎo)體領(lǐng)域的影響

在精度與性能至關(guān)重要的新型半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)中，光學(xué)光譜技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。人工智能(AI)領(lǐng)域正是當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)亟待快速突破的重要方向之一。事實(shí)上，全球半導(dǎo)體市場預(yù)計(jì)在2025年將實(shí)現(xiàn)15%的增長1，其核心驅(qū)動(dòng)力正是人工智能的快速發(fā)展。隨著AI日益滲透日常生活，半導(dǎo)體器件必須持續(xù)優(yōu)化速度、熱穩(wěn)定性及功耗表現(xiàn)，以滿足巨大的算力需求。

拉曼光譜與橢圓偏振術(shù)等技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能——它們能精準(zhǔn)評估先進(jìn)制程節(jié)點(diǎn)中材料的應(yīng)變狀態(tài)與均勻性等關(guān)鍵特性。這些特性直接影響晶體管開關(guān)速度與散熱效率，對打造高性能AI芯片至關(guān)重要。為進(jìn)一步增強(qiáng)分析效能，探針臺(tái)及微操系統(tǒng)2等高精度表征工具可與光譜技術(shù)聯(lián)用，在器件制造過程中建立電學(xué)性能與材料特性的直接關(guān)聯(lián)。

半導(dǎo)體在快速發(fā)展的量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)中同樣占據(jù)核心地位，其被用于制造量子比特(量子信息的基本單元)。與傳統(tǒng)比特非0即1的特性不同，量子比特能夠同時(shí)處于多種狀態(tài)。這一特性使量子計(jì)算機(jī)能并行執(zhí)行大量計(jì)算，從而解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法處理的復(fù)雜問題。

用于量子計(jì)算的半導(dǎo)體材料需要高度可控的量子態(tài)，量子點(diǎn)(納米尺度半導(dǎo)體粒子)便是其中代表。量子計(jì)算系統(tǒng)對原子尺度的缺陷極其敏感，而光學(xué)光譜技術(shù)正可對此進(jìn)行評估：例如光致發(fā)光光譜能探測影響量子相干時(shí)間與比特保真度的激子行為及缺陷態(tài);拉曼光譜則可識(shí)別導(dǎo)致量子退相干的光子相互作用。這些技術(shù)通過對量子器件材料進(jìn)行篩查，成為質(zhì)量控制不可或缺的關(guān)鍵工具。

光學(xué)光譜技術(shù)同樣推動(dòng)著新一代半導(dǎo)體材料的研發(fā)，尤其是二維材料領(lǐng)域。這類材料由單層原子構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能。2004年石墨烯的成功剝離引發(fā)了二維材料的研究熱潮——這種單層碳原子材料以其卓越的導(dǎo)電性和強(qiáng)度聞名于世。

此后該領(lǐng)域迅速發(fā)展，二硫化鉬(MoS?)和二硫化鎢(WS?)等材料在超薄晶體管應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力3。憑借原子級厚度與可調(diào)控特性，二維材料已成為制造更小型、更高能效半導(dǎo)體器件的有力競爭者。光學(xué)光譜技術(shù)對其發(fā)展至關(guān)重要：拉曼光譜常用于識(shí)別材料層數(shù)與缺陷檢測，而橢圓偏振技術(shù)可精確測定二維薄膜厚度并評估其均勻性。

未來發(fā)展方向

總體而言，隨著半導(dǎo)體研究的持續(xù)演進(jìn)，光學(xué)光譜技術(shù)將通過提供設(shè)計(jì)與規(guī)?；磥聿牧霞捌骷璧母呔确治觯冀K保持其不可替代的地位。當(dāng)前技術(shù)需著重提升空間、時(shí)間與光譜分辨率，使納米尺度表征更加高效便捷。通過將光譜技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，并開發(fā)原位測量能力以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工藝監(jiān)控，這些進(jìn)步將共同塑造半導(dǎo)體發(fā)展的未來圖景。

審核編輯 黃宇