大规模光芯片上捕获声波和光的新技术

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大规模光芯片上捕获声波和光的新技术

近几十年来，芯片和电子设备变得更小、更快。工程师们已经接近传统电子学的极限，现在正在从电子学过渡到光子学，用光代替电子。在这种趋势下，出现了各种新的挑战。例如，微小的干扰或量子效应可能会扭曲信号并使其无法使用。现在，Twente大学的一个研究团队提供了一种新的解决方案。

光信号的滤波、放大和处理对于发展新的通信技术、量子光学和传感器至关重要。有效地做到这一点的一个方法是使用一种称为受激布里渊散射的相干光机相互作用技术。在这种技术中，两个精细调谐的激光器产生频率比人类听觉阈值高100万倍的声波，并将其捕获在波导中。通过波导传输的光与声波相互作用，声波将反射光谱中非常小的特定部分；有效过滤信号。

领导非线性纳米光子学研究小组的David Marpaung教授说：“尽管布里渊散射在过去几年里得到了广泛的研究，但它永远无法在适合我们日常生活的芯片上可靠地实现。”。“将声波捕获在波导中足够长的时间，已被证明是非常困难的。‘声泄漏’是传统硅基平台中的一个大问题，阻止了强布里渊相互作用。而且替代材料通常不稳定、脆弱甚至有毒。”

Twente大学的研究团队使用低损耗多层氮化硅（Si3N4）纳米光子电路来限制光波和声波。这些光路由50厘米长的螺旋波导组成。这种设计可以捕捉声波，并防止使用单个氮化硅芯时发生的声泄漏。除了在实验中取得了令人鼓舞的结果外，研究人员还对概念和其他实验进行有效的验证。该论文的第一作者Roel Botter说：“我们展示了一种射频抵消陷波滤波器，结果显示，未来氮化硅芯片上的受激布里渊散射具有巨大潜力。”

Marpaung补充道：“我们的研究使在大型电路中集成受激布里渊散射成为可能。这些新芯片可以与其他新兴技术集成，例如可调谐激光器、频率梳和可编程光子电路，这可能会使它们在未来的发展中，从电信到量子计算等领域发挥作用。”

这篇研究论文发表在《Science Advances》，是相关研究人员对氮化硅光子电路中受激布里渊散射可行性进行了4年研究的结果。

出版信息

标题:

Guided-acoustic stimulated Brillouin scattering in silicon nitride photonic circuits

出版信息:

SCIENCE ADVANCES，07 October 2022

DOI:

10.1126/sciadv.abq2196

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中国科大研制出氧化镓垂直槽栅场效应晶体管

近日，中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授课题组联合中科院苏州纳米所加工平台在氧化镓功率电子器件领域取得重要进展，分别采用氧气氛围退火和N离子注入技术，首次研制出了氧化镓垂直槽栅场效应晶体管。

功率半导体器件是电力电子系统中的核心元件，主要用于电力设备的电能变换和控制电路中的大功率，应用场景包括工业控制、可再生能源与新能源系统、电动汽车、轨道交通等。随着新能源汽车等行业的发展及其不断提高的对电力系统控制能力的要求，以及传统的Si等半导体材料逐步接近物理极限，氧化镓作为新一代功率半导体材料，其禁带宽带大、击穿场强高，有望在未来功率器件领域发挥重要的作用。另外，氧化镓半导体材料能够采用熔体法生长，未来在成本上将比SiC和GaN等材料更具优势。目前，氧化镓材料面临一个重要的难点：难以实现氧化镓的p型掺杂，这导致氧化镓场效应晶体管面临着增强型模式难以实现和功率品质因数难以提升等问题。氧化镓垂直场效应晶体管适应于制备高压大电流器件，相较于制备水平结构的MBE样品，其材料具有较低成本。氧化镓垂直晶体管的若干种结构中，FinFET虽然性能较为优异，但工艺难度大，难以实现大规模量产。因此急需设计新结构氧化镓垂直型晶体管，攻克增强型晶体管所需要的电流阻挡层技术（Current blocking layer），并运用电流阻挡层制备出新设计的氧化镓垂直栅槽晶体管。

在本次报道的工作中，分别采用了氧气氛围退火和氮（N）离子注入工艺制备了器件的电流阻挡层，并配合栅槽刻蚀工艺研制出了不需P型掺杂技术的氧化镓垂直沟槽场效应晶体管结构。氧气氛围退火和N离子注入所形成的电流阻挡层均能够有效隔绝晶体管源、漏极之间的电流路径，当施加正栅压后，会在栅槽侧壁形成电子积累的导电通道，实现对电流的调控。氧化镓在氧气氛围退火能够在表面形成补偿型缺陷，从而形成高阻层。氧气氛围退火工艺是氧化镓较为独特的一种技术手段，这种方式的灵感来源于硅工艺的成功秘诀之一——半导体硅的氧气氛围退火。类似于硅在氧气氛围退火可形成高阻表面层，氧化镓采用该手段制备电流阻挡层（相比于离子注入）具有缺陷少、无扩散、成本低等特点。N离子注入MOSFET基于工业化高能离子注入设备，采用N离子注入掺杂工艺，当N注入浓度为5×1018 cm-3时，制备的垂直槽栅MOSFET阈值电压达到4.2 V（@1A/cm2），饱和电流密度高达702.3 A/cm2，导通电阻10.4 mΩ·cm2。

此外，通过调节N离子注入浓度，器件的击穿电压可达到534 V，为目前电流阻挡层型氧化镓MOSFET器件最高值，功率品质因数超过了硅单极器件的理论极限。两项工作为氧化镓晶体管找到了新的技术路线和结构方案。

出版信息

标题:

Enhancement-mode β-Ga2O3 U-shaped gate trench vertical MOSFET realized by oxygen annealing

出版信息:

Appl. Phys. Lett.，28 November 2022

DOI:

10.1063/5.0130292

转自：“科研之友 ScholarMate”微信公众号

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