【創新科技】「超晶格」薄膜 突破芯片3大限制
▲ 超晶格芯片薄膜不但非常薄且輕、成本低，還可以發射光，而不僅僅是檢測光。（UPenn）
相機、太陽能電池板和光纖等科技產品，都會用到光電探測器（Photodetectors），當中所使用的芯片愈小，性能愈高。但目前的材料和製造方法都限制了芯片再縮細，無奈要在尺寸和性能之間取捨。
有大學研究團隊製造了一種僅5個原子厚度的芯片薄膜，具有高度光輻射性，為更多元化的光電應用開啟了大門。
傳統的芯片製造技術有3大限制。首先，芯片是通過在晶圓（Wafer）頂部建立芯片薄膜來製造，薄膜的晶體結構與基底（Substrate）晶圓的晶體結構必須一致，但這會使薄膜難以轉移到其他基底材料上，結果會降低其適用性。
再者，目前轉移和堆疊薄膜的方法，是通過機械剝離方式完成，但這會導致多個不均勻的膜層堆疊在一起，當每層不均勻的厚度累積時，最終會影響芯片和產品的質量。
鎢硫取代矽 具高度光輻射性
第三，矽（Silicon）是芯片的首選材料，但當它變得愈薄，其光子結構表現就會愈差，這會導致光電探測器的表現不理想。
由賓夕法尼亞大學（UPenn）電氣及系統工程系助理教授Deep Jariwala領導的科研團隊，成功突破以上限制，透過以鎢（Tungsten）和硫（Sulfur）取代矽，並運用「超晶格」（Superlattice）設計，製作出厚度均勻、具有高度光輻射性，只有5個原子厚度的芯片薄膜。
原子厚度的材料通常是由幾何排列的原子層組成，一般稱為「晶格」（Lattice）；每種材料都有特有的排列圖案，而超晶格則是由不同材料的晶格互相堆疊而成。Deep Jariwala表示，超晶格具有全新的光學、化學和物理特性，能適應光敏元件和其他傳感器應用。
傳統的超晶格是直接在所需的基底上建立，但它們往往有數百萬個原子厚度，而且很難轉移到其他材料基底上。
為確保超晶格可適用於許多不同材料，研究團隊先在兩英寸晶圓上建立晶格，然後將基底溶解，使晶格可轉移到任何需要的材料上。此外，晶格會在同一方向上排列，令超晶格的厚度均勻，而且製作過程簡單、具可重複及擴展性。
自成光源 改善激光雷達系統
超晶格芯片薄膜不但非常薄且輕、成本低，還可以發射光，而不僅僅是檢測光。
Deep Jariwala指出：「光是很難控制的，但我們可以控制物質，團隊發現通過操控超晶格的形狀，就可間接地控制從它發出的光。」這意味超晶格可以成為一個光源，他認為這項技術或能大大改善自動駕駛、人臉識別和電腦視覺（Computer Vision）中的激光雷達系統。
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此外，超晶格芯片薄膜也可用於光子電腦（Optical Computer）的芯片。光的移動速度比電子快，所以由光驅動的芯片將提高計算速度，使運算過程更有效率，當中的挑戰是找到一個能為芯片供電的光源，他認為，超晶格芯片薄膜或是這方面的解決方案。
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記者：陳卓賢
