《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SiGeSn合金的下一代紅外成像技術(shù)概述

2020-04-03
來源:MEMS

    什么是SiGeSn合金?它有什么作用?銅和鋅,、銅和錫,、鐵和碳等化學(xué)元素的組合可以分別制得黃銅、青銅和鋼金屬合金,,獲得獨(dú)特的性質(zhì),,例如可用于特定目的的高強(qiáng)度和耐腐蝕性等。

    作為美國國防部MURI項(xiàng)目的一部分,,美國亞利桑那州立大學(xué)張永航(Yong-Hang Zhang)教授和Andrew Chizmeshya副教授正在這個(gè)方向上進(jìn)行探索,,他們將研究硅鍺錫(SiGeSn)合金的基本材料特性,用于開發(fā)更輕,、更快,、更節(jié)能的下一代紅外成像技術(shù)。美國國防部MURI計(jì)劃支持多學(xué)科大學(xué)研究團(tuán)隊(duì),,旨在更好地理解或?qū)崿F(xiàn)以前從未做過的基礎(chǔ)研究。以前的很多MURI項(xiàng)目取得了重大突破,,持續(xù)推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步,,促進(jìn)了美國高校研究生在前沿領(lǐng)域的開拓。

    

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    2019年,,美國國防部發(fā)布了24個(gè)備受矚目且競爭激烈的MURI項(xiàng)目,,資助總額高達(dá)1.69億美元。張教授和Chizmeshya教授將與阿肯色大學(xué)牽頭的研究機(jī)構(gòu)以及達(dá)特茅斯大學(xué),、馬薩諸塞大學(xué),、波士頓大學(xué)和喬治華盛頓大學(xué)合作,,分享750萬美元MURI項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)中的約200萬美元資金。

    “MURI計(jì)劃是美國國防部為大學(xué)教授提供的最具競爭力且最激動(dòng)人心的項(xiàng)目之一,,”張教授說,,“這是我在半導(dǎo)體光電子材料和器件相關(guān)領(lǐng)域的第四個(gè)MURI項(xiàng)目,表明了亞利桑那州立大學(xué)在光子學(xué)領(lǐng)域的研究實(shí)力,。我們正在努力解決一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的課題,,所以我們需要卷起袖子加油干了?!?/p>

    下一代紅外成像技術(shù)

    半導(dǎo)體材料作為激光器,、太陽能電池和晶體管等電子技術(shù)的重要基礎(chǔ),在紅外成像應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位,。目前最先進(jìn)的紅外技術(shù)通常采用碲鎘汞半導(dǎo)體合金或元素周期表Ⅲ-Ⅴ族元素制成,,使用戶無論白天或黑夜都能獲得視野,并在軍事防御系統(tǒng)和商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,。雖然紅外設(shè)備在很多應(yīng)用領(lǐng)域具有提高可視性的巨大潛力,,但是當(dāng)前采用的半導(dǎo)體合金技術(shù)由于復(fù)雜的制造過程、低效的生產(chǎn)工藝,、較差的一致性和高制造成本,,而在性能上受到限制。這些限制阻礙了紅外技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛使用,。

    “SiGeSn合金是一種相對(duì)較新的半導(dǎo)體材料,,可用于開發(fā)光電通信和紅外應(yīng)用的下一代高速探測器、發(fā)射器和調(diào)制器,,”亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院化學(xué)副教授Chizmeshya說,,“它們主要由鍺組成,但巧妙地添加硅和錫可以獲得新的電學(xué)特性,,例如直接帶隙等,。”

    類似于壘磚砌墻,,研究人員可以添加連續(xù)的半導(dǎo)體材料層來制造工作器件,,例如智能手機(jī)芯片。SiGeSn合金可以進(jìn)行連續(xù)的多層制造,,從而產(chǎn)生新的半導(dǎo)體架構(gòu),,獲得過去無法實(shí)現(xiàn)的性能,例如最長范圍的紅外探測,?!叭绻覀兡軌蚋倪M(jìn)SiGeSn材料,并將其放在大規(guī)模集成的硅基板上,,整個(gè)系統(tǒng)可以以非常低的成本獲得優(yōu)于當(dāng)前所有紅外技術(shù)的性能,,”張教授說,,“它可以讓人們看到人眼看不到的紅外光?!?/p>

    為了設(shè)計(jì),、制造并驗(yàn)證SiGeSn作為一種新型紅外半導(dǎo)體替代材料,MURI項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須克服一系列材料挑戰(zhàn),。它們?nèi)绾芜_(dá)到中波紅外波長?一旦實(shí)現(xiàn),,如何改善材料的性能?當(dāng)SiGeSn材料系統(tǒng)表現(xiàn)出質(zhì)量和穩(wěn)定性時(shí),如何使用它來制造高性能器件?此外,,Chizmeshya表示SiGeSn合金的熱力學(xué)數(shù)據(jù)非常缺乏,。因此,研究團(tuán)隊(duì)將開發(fā)并應(yīng)用專門的,、全新的熱力學(xué)框架,,以揭示影響SiGeSn合金穩(wěn)定性的源頭,并最終繪制出SiGeSn系統(tǒng)的相圖,。這種方法還可以在以后應(yīng)用于其它復(fù)雜的合金系統(tǒng),。

    如果項(xiàng)目成功,這種采用SiGeSn合金的低成本和高性能紅外技術(shù)將對(duì)美國國防部帶來重大影響,。例如,,飛機(jī)可配備更高效、更具成本效益的紅外熱成像設(shè)備,,以在能見度較差的情況下改善飛行員的戰(zhàn)場監(jiān)視能力,。此外,士兵和國防車輛可配備地基視覺系統(tǒng),,以更高的準(zhǔn)確性和精確度檢測威脅和漏洞,。

    當(dāng)然,SiGeSn合金的應(yīng)用前景將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國防領(lǐng)域,?;赟iGeSn合金的紅外技術(shù)可以使醫(yī)療保健、監(jiān)視,、搜救,、自動(dòng)駕駛、氣象學(xué)和氣候?qū)W等應(yīng)用受益,。張教授預(yù)計(jì)基于SiGeSn合金的低成本夜視技術(shù)將在不到10年內(nèi)廣泛應(yīng)用于汽車,、卡車和其他自動(dòng)駕駛車輛。得益于此,,由黑暗、雨霧或沙塵暴等能見度有限而導(dǎo)致的車禍將大大減少,,從而挽救更多的生命,,并提高車輛行駛的安全性,。

    十年以上SiGeSn合金專業(yè)研究

    該MURI項(xiàng)目聚集了一支在SiGeSn合金前沿領(lǐng)域工作多年的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì),包括化學(xué)家,、土木工程師,、電氣工程師、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家,,他們將利用積累多年的紅外光子學(xué)研究經(jīng)驗(yàn),,以深入研究SiGeSn合金及其低成本大規(guī)模制造的基本材料和器件問題。

    Shui-Qing (Fisher) Yu是阿肯色大學(xué)的首席研究員,,他在開發(fā)采用SiGeSn合金的光電器件方面擁有多年的專業(yè)積累,,如激光器、光電探測器和紅外相機(jī)等,。他還研究了SiGeSn合金在提高材料質(zhì)量和降低器件成本方面的潛力,。Yu于2005年獲得亞利桑那州立大學(xué)電氣工程博士學(xué)位,因其在張教授研究小組的卓越工作而獲得著名的富爾頓學(xué)院Palais杰出博士生獎(jiǎng),。

    張教授的研究涵蓋了廣泛的光電子領(lǐng)域,,包括半導(dǎo)體材料的生長及其結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,以及新型半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì),、制造和測試,。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目,張教授將更深入的探究SiGeSn材料的外延生長技術(shù),,確定其質(zhì)量和穩(wěn)定性,,并針對(duì)紅外應(yīng)用的SiGeSn合金開發(fā)量身定制的創(chuàng)新器件架構(gòu)。張教授作為實(shí)驗(yàn)主義者,,他的專業(yè)積累將很好的與其合作者,、理論派Chizmeshya教授配合。

    Chizmeshya教授在理論固態(tài)電子學(xué),、化學(xué)和材料科學(xué)方法方面的專業(yè)知識(shí)能夠指導(dǎo)新合金的設(shè)計(jì),,并闡明其熱力學(xué)、電子學(xué)和結(jié)構(gòu)特性,。他將使用超級(jí)計(jì)算機(jī)基于量子力學(xué)的模擬仿真,,研究SiGeSn合金化學(xué)氣相沉積生長過程的關(guān)鍵點(diǎn)?!瓣P(guān)于這個(gè)MURI項(xiàng)目的研究人員已經(jīng)合作或分別在SiGeSn合金的各個(gè)方面進(jìn)行了十多年的合作,,”Chizmeshya教授說,“我們將首次將個(gè)人的專業(yè)積累和豐富的集體經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來,?!币陨暇褪腔赟iGeSn合金的下一代紅外成像技術(shù),希望能給大家?guī)椭?/p>

    

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