对电子产品要求更高 半导体研究推陈出新

每个人都想要一款理想的手机，它能在5分钟内充电，2小时内通话。但这个简单的“理想”代表了对电子产品中半导体材料和器件性能的追求。移动电话中快速的数据处理和电池储能过程是在纳米尺度上进行的，只有人类头发直径的千分之一，这些过程会影响产品的稳定性和使用寿命。

近年来，北京科技大学材料科学与工程学院教授、中国科学院院士张跃及其团队，在国家重大科学仪器开发项目(免费申请)的支持下，开展了纳米尺度多场耦合效应原位表征系统的开发。

近日，该项目顺利通过了最终验收，该仪器的成功开发将实现在服务过程中对半导体材料各项指标的现场监测。在开发过程中，科学家们率先实现了超高真空、极低温、多波段光谱入射采集条件下材料微观原子结构、界面能带结构和器件电性能的跨尺度原位表征，纳米级应力加载等条件。

几十年来，研究人员在金属材料系统中建立了成熟的材料服役研究和表征方法，监测服役过程中的各项指标，从而准确判断材料的服役可靠性。

然而，半导体材料服役行为的研究面临着巨大的挑战。一方面，随着芯片集成度的提高，用于半导体器件的材料变得更小，单个晶体管的核心结构单元的大小现在不到10纳米。另一方面，随着可穿戴设备和便携式设备的发展，半导体材料和器件的工作环境越来越复杂，冷热交替、湿度、弯曲和柔性等环境对材料和器件的要求也越来越严格。他们认识到，建立一种原位研究多场耦合条件下低维半导体材料结构和性能演化的方法和技术手段，对开发下一代半导体材料和器件具有重要意义。

同时，我国未来对下一代半导体材料和器件的发展也有重大的现实需求。在此背景下，研究团队决定自主研发一种新型仪器，对纳米尺度多场耦合效应下半导体材料和器件的性能调控和在用行为进行原位科学研究。

2016年国家自然科学基金资助，国家重大科学仪器开发项目(免费应用)“纳米尺度多场耦合效应原位表征系统”正式获批。该仪器研制的难点在于通过多物理场耦合模拟半导体材料与器件的实际工作条件，从纳米尺度揭示半导体材料与器件界面的载流子输运行为及调控规律。同时，通过对材料结构和界面的精细设计，提高半导体器件的性能，设计和构建低功耗高性能的半导体器件，研究和建立纳米级半导体材料和器件在服务行为方面的研究方法和评价标准。

未来的研究小组表示,当前设备只有1.0版本,在调试和使用过程中,设备从系统中,软件、硬件和其他方面的不断简化,优化,经过数年的调试,预计将满足成就转换的要求。该器件可为低功耗晶体管、高效光电转换器件、自驱动可穿戴人工智能传感器等的开发提供技术支持。

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