Наступление эры сверхдлинных гибких полупроводниковых волокон

Неорганические кристаллические полупроводники являются основой твердотельной электроники. Среди многочисленных примеров элементарные полупроводники, такие как кремний (Si) и германий (Ge), являются краеугольным камнем современной электронной промышленности. Внутренняя жёсткость этих неорганических химических элементов в значительной степени ограничила применение компонентов с ними. Но наступает переход в новую эру гибкой электроники. Хотя многочисленные органические полупроводники разрабатываются на основе их благоприятной мягкой природы, спрос на высокопроизводительные системы стимулировал разработки по созданию гибких неорганических кристаллических полупроводников. Из-за хрупкой природы кристаллических структур, стратегии, обеспечивающие их гибкость, в основном касаются механики в геометрических формах материала — другими словами, в уменьшении размеров.

Например, для создания гибких электронных систем использовались точки нулевой размерности, мономерные волокна и плоские плёнки. На уровне устройств при сборке монолитных устройств используются как точки, так и плёнки, в то время как волокна в основном используются в виде пучка проводящих каналов для сборки устройств плоского типа, которые не имеют волокнистой формы, но имеют преимущество в виде большой площади поверхности. Волокна микронного размера являются наиболее подходящими кандидатами для изготовления устройств в виде волокон с точки зрения обработки сигнала и скорости отклика. Однако из-за сложностей в производстве отсутствуют эффективные технологии производства полупроводниковых микроволокон. Для их производства полупроводниковых было использовано несколько методов выращивания из расплава, таких, как метод микровытягивания. Тем не менее, доступные диаметры волокон ограничены сотнями микрон. Кроме того, скорость изготовления в значительной степени ограничены несколькими сантиметрами в час, а общая максимальная длинна несколькими десятками сантиметров. Для существенного продвижения волоконной электроники такого недостаточно, а значит существует потребность в масштабируемом производстве полупроводниковых волокон.

Потенциальной альтернативой является метод термического вытягивания волокон, который первоначально применялся для производства оптических волокон и завоевал беспрецедентный успех в телекоммуникациях. Такое оптическое волокно уже давно и успешно применяется в дата-центрах для передачи большого объёма данных и для кроссировки между устройствами. Затем этот процесс вытягивания волокон из одного материала был внедрён в производство волокон из нескольких материалов, включая полупроводниковые волокна в стеклянных оболочках.

Исходный полупроводниковый материал помещается внутрь стеклянной трубки. Затем после нагрева полученная комбинация вытягивается в виде волокна. Этот модифицированный метод термического вытягивания (также называется методом расплавленного сердечника), поскольку полупроводниковой сердцевине придают форму волокна в расплавленном состоянии. Как и при обычном производстве оптических волокон, скорость вытягивания полупроводниковых волокон этим методом составляет несколько метров в минуту, в результате чего получаются отдельные нити длиной от сотен метров до километров, диаметр которых можно регулировать в диапазоне от одного микрона до сотен микрон. Этот процесс имеет некоторое сходство с технологией микровытягивания, но с использованием «деформирующего стеклянного тигля». Несмотря на то, что этот компонент обеспечивает высокую скорость вытягивания, большую длину и контролируемый размер волокна, он также затрудняет понимание взаимодействия сердцевины и оболочки, что имеет решающее значение для производства, поскольку любые дефекты, вызванные термическим, реологическим или механическим несоответствием между стеклянной оболочкой и полупроводниковым сердечником может нарушить целостность, особенно при чрезвычайно высокой температуре обработки (до 2000°C).

Для решения этих проблем был проведён тщательный анализ метода получения расплавленной сердцевины путём разделения всего процесса на три стадии в зависимости от состояния полупроводниковой сердцевины, а именно: вязкое течение (расплавленный полупроводник), кристаллизация (кристаллизуемый полупроводник) и стадия охлаждения (кристаллизованный полупроводник). Сообщается о впечатляющем прогрессе в понимании термомеханических основ метода расплавленной сердцевины. Особое внимание уделялось ключевым моментам для каждого этапа.

На этапе вязкого течения стеклянная оболочка и полупроводниковая сердцевина были размягчены или расплавлены в соответствии с механикой жидкости. Таким образом, был увеличен коэффициент роста нестабильности капилляров, чтобы определить оптимальный период обработки для невозмущённого жидкого полупроводникового волокна. После формирования волокна вся сборка охлаждалась и переходила на стадию кристаллизации полупроводника. Стоит отметить, что Si и Ge подверглись аномальному объёмному расширению, аналогичному изменению температуры воды и льда, что привело к образованию внутренних напряжений. Последним этапом было охлаждение твердофазного волокна в сборе до температуры окружающей среды, при котором несоответствие температурного сжатия было основной причиной потенциальных дефектов.

Для решения этих проблем на каждом этапе была разработана комбинация теоретического анализа и анализа методом конечных элементов. Результаты показывают, что для снижения напряжений, возникающих при изготовлении, следует использовать облицовочные стекла с температурой отжига, близкой к температуре плавления полупроводниковой сердцевины, и с коэффициентом теплового расширения, соответствующим полупроводнику. Кроме того, температура размягчения облицовочного стекла должна быть ненамного ниже температуры плавления полупроводниковой сердцевины, чтобы подавить нестабильность капилляров. Основываясь на этих соображениях, разработчики предложили стратегию выбора материала и оптимизации процесса. Они проверили её в реальности, продемонстрировав сверхдлинные микроволокна Si и Ge, не допускающие деформаций и растрескивания. Кроме того, авторы продемонстрировали фотоприемник в виде волокна, изготовленного из микроволокон Si и Ge, характеристики которого не уступают устройствам планарного типа и который был интегрирован в текстиль для носимой оптоэлектроники.

Полупроводниковые волокна представляют собой новую платформу для электроники, поскольку их форма обеспечивает уникальные возможности, недоступные в традиционных пластинах. Примечательно, что альтернативные формы наиболее широко используемых полупроводниковых материалов, совместимы с современной технологией CMOS. От очистки и легирования до литографии — все методы обработки пластин в принципе могут быть применены к волокнам — просто добавляется вращающийся механизм, работающий с криволинейной поверхностью. Достижения в области технологии получения расплавленной сердцевины могут решить проблему доступности, связанную со скоростью производства, которая на три-четыре порядка выше, чем при традиционных методах расплава. Остаются открытыми некоторые вопросы, касающиеся возможных форм поперечного сечения волокон, примесей, метода отслаивания оболочки и совместимости с другими перспективными полупроводниковыми материалами, такими как полупроводники четвёртого поколения. Тем не менее, это новшество может привести к беспрецедентному потенциалу для устройств на основе волокон. Например, транзисторы, логические элементы и сложные цифровые схемы могут быть интегрированы в структуру толщиной с волосок и в дальнейшем использоваться в повседневной одежде, обеспечивая пути к цифровой информационной системе, ориентированной на человека. Такие оптоэлектронные волокна обеспечивают производительность, сопоставимую с коммерческими фотодетекторами планарного типа, и позволяют использовать их в различных областях, например, в здравоохранении, робототехнике, носимых устройствах связи и вспомогательных технологиях.

За последние несколько лет кремниевая фотоника стала активной областью, поскольку волноводы были включены для передачи и обработки сигналов в больших полупроводниковых интегральных схемах. Особый интерес представляет использование вынужденного комбинационного рассеяния (SRS) для волноводных лазеров на чипах в ближнем инфракрасном диапазоне и даже для усиления в средневолновом. Расширение технологии кремниевых волноводов на оптические волокна стало бы значительным дополнением к этой новой области и обеспечило бы дополнительные возможности. Высокая теплопроводность, высокий порог оптического повреждения и передача с низкими потерями между ~1,2–6,6 мкм кристаллического кремния являются особенно полезными характеристиками. Такие волокна с полупроводниковым сердечником имеют потенциал для значительного влияния на области нелинейной волоконной оптики, инфракрасной и терагерцовой подачи энергии.