ポストムーア時代に向けてマイクロエレクトロニクスが加速！復旦大学の梅永峰氏の研究グループは、DNN とナノフィルム技術を統合して入射光の角度を正確に分析
「二次元ナノフィルムの三次元微細構造への自己組織化」は、次世代マイクロエレクトロニクスデバイスを製造するための重要な方法と考えられており、これは今後の高度なエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスアプリケーションにとって重要です。しかし、二次元ナノフィルムの最終的な幾何学的形状の形成は、エッチングの軌跡、化学反応、アスペクト比などの複雑な要因の影響を受けるため、製品の歩留まりや自己組織化デバイスの製造プロセスにおける歩留まりを向上させることが困難です。 、実験からの開発を深刻に妨げており、この部屋は真に産業用途に向けて進んでいます。
予歪みを与えたナノ膜構造の正確な形態予測と設計指針を提供するために、科学者は 1 世紀にわたって多くの分析的および数値的手法を設計、開発してきました。で、有限要素モデリング (FEM) は、リリース後のナノフィルムの挙動を直観的にシミュレートし、予測することができます。近年、ナノフィルムの自己巻き込みプロセスを研究およびシミュレートするために研究者によって使用されています。しかし、結果から判断すると、ほとんどの実験は特定の構造形成や局所的な解析のみに満足しており、広範な適用性や正確な境界条件モデルがまだ不足しています。
これを受けて、復旦大学材料科学部のメイ・ヨンフェン教授の研究グループはこのほど、「三次元角度感受性光検出のためのナノ膜ローリングにおけるマルチレベル設計と構築」と題する研究成果を『Nature Communications』誌に発表した。本研究では、マルチレベルの準静的有限要素解析手法を提案し、これに基づいて6種類のシリコン(Si)/クロム(Cr)ナノ膜集合三次元微細構造と対応する三次元光検出器の設計・構築を行い、この技術の優れた汎用性と産業上の実用性は十分に検証されています。
研究のハイライト:
- マルチレベル準静的有限要素法は、広範囲の材料系、ナノフィルムの厚さ、パターンの種類、およびパターンのサイズに適用することに成功し、優れた汎用性を示しました。
- 有限要素モデルに基づいて、大規模、高歩留まり、高均一性の三次元構成可能な構造を実現することに成功した。
- 入射光の角度を 10° の精度で検出する一連の三次元構造光検出器が開発され、電子および光電子デバイスの製造における可能性が確認されました。
用紙のアドレス:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47405-2
予歪み二層ナノフィルムの放出
研究チームは標準的なひずみナノフィルム放出モデルを確立しました。これは、幅 W、長さ L、面内歪み勾配を持つ長方形のナノメンブレン、犠牲層と基板で構成されています。このプロセスは、ナノ自己組織化三次元デバイスの効率的な処理と適用を保証するように設計されていますが、同時に、有限要素モデリングで考慮する必要があるより多くの影響要因も明らかになります。
図のbは、固定エッジ予歪二層ナノメンブレンの解放プロセスを示しています。図の c は、犠牲層のウェット エッチング プロセスをさらに示しています。エッチャントは液相から固液界面に拡散し、界面で犠牲層と化学反応します。
マルチレベルの準静的有限要素解析手法が役立ちます
研究チームは、COMSOL Multiphyics ソフトウェア パッケージを使用してマルチフィールド結合有限要素モデルを確立し、犠牲層のエッチング プロセスをシミュレートし、拘束された初期固定二重層を使用して未解放状態をシミュレートしました。
エッチング液の流れとエッチングシステムの境界運動を考慮して、研究チームはフィックの法則、ナビエ・ストークス方程式、および液体-固体反応モデルを導入して、有限要素モデルを確立しました。
このうち、cはエッチング液の濃度、uはエッチング液の流速、Dは拡散係数、kは反応速度係数、nは法線ベクトル、ρは密度、μは動粘性係数、vは通常のグリッド速度、M はモル質量です。
研究では各パラメータの影響について議論されています。そして、エッチャント濃度と反応速度の関係は、拡散バランスと化学反応過程に依存することが判明した。
二層ナノフィルムの動的剥離プロセス全体は、時系列で実行される一連の分析ステップです。上図の b は、前回のシミュレーションで得られた境界変化の幾何学的特徴を座標形式で示しています。Si/Cr 二重層の厚さ方向に沿って分割されたノードの数は、i = 1、2、…です。幾何学的分割により、複数の離散時点の境界が境界条件に分割されます。エラストマー解析ステップでは、上図の c に示すように、ナノフィルムの連続放出を実現するために、境界条件が時系列の一連の制約として設定されます。
シングルエンド固定二層ナノメンブレン構造の非対称境界条件、実際の剥離プロセスの複雑さ、および大きな幾何学的変形のため、弾性薄板大外乱方程式を使用した構造設計はプロセスを正確に反映できません。反対側のエッジからのナノフィルムの放出のみを考慮した三次元アセンブリでは、管状構造しか表現できません。二層ナノフィルムのシミュレーション結果はより高い精度を示し、幅に応じて変化する形態を示すことに成功しました。（上図のdに示すように）。
準静的有限要素解析の結果は、犠牲層のエッチング軌跡が二層ナノフィルムの剥離の制御に重要な役割を果たしていることを証明しています。同時に、研究チームは、シリコン（Si）/クロム（Cr）の長方形パターンに加えて、多層有限要素モデルを使用して、半円形、三角形、平行四辺形パターンなどのさまざまなタイプのパターンを設計しました。この方法は、数百ナノメートルから数百マイクロメートルまでのモデルのスケール間の互換性も実証します。
ディープニューラルネットワークがそのスキルを発揮、三次元角度光検出がイノベーションを歓迎
Cr はより大きな予歪みを導入することができ、Si は最も広く使用されている半導体材料であるため、研究チームは設計モデルを検証するために Si/Cr 二層ナノフィルム システムを選択しました。実験プロセスを以下の図に示します。
有限要素エッチングと弾性力学モデルに基づいたマルチレベル設計手法により、予ひずみを与えたナノフィルムの 3 次元アセンブリが可能になり、ひずみエンジニアリングによる将来性のあるデバイス設計の新たな機会が提供されます。研究チームは最終的に、さまざまな形状の光検出器で広範な入射光角度検出を実施しました。この結果は、三次元構成における光電結合の感度を示しており、三次元に組み立てられたナノ膜電子デバイスの機能化を実現するために拡張して使用できることがわかります。以下に示すように。
研究チームは、透明なPMMAハウジングと一連の光ファイバーインターフェースで構成される半球状の全方向性入射光コントローラーを設計した。上の c に示すように、座標 (θ、φ) が設定されているため、対応する球の座標に接続されたインターフェイスを介してレーザーを特定の角度で入射することができます。
次に、準備した Si/Cr 光検出器を入射光コントローラーの底部と同じ高さのプラットフォームに置き、(90°、0°) 入力レーザー ポートの YZ 平面上の投影座標が確実に一致するようにコントローラーを校正します。光検出器は中央に配置され (上の a と b に示すように)、最後に、収集された光検出データが入射角分析のためにディープ ニューラル ネットワークにインポートされます (上の c に示すように)。
具体的には、Si/Cr 光検出器は最大応答性 60mA/W、応答時間 100 ～ 700 μs、外部量子効率 7 ～ 12 % を備え、520 nm の入射光に効果的に応答して光電検出を実現します。上の図に示されています。
研究チームは、さまざまな座標からの入射光の光応答を測定した後、各座標の光電流を正規化し、構造の種類ごとに分類しました。同時に、データの視覚的な比較を容易にするために、各構造の正規化された光電流がフォトコントローラーを介して YZ 平面に投影されます。研究チームはまた、投影球上の入射光の位置を特定するのに役立つ、θとφで表される球座標を確立しました。
その結果、未発表のSi/Cr平面光検出器(上図f)、リング光検出器(上図g)、アーチ光検出器(上図h)、ヘリックス光検出器(上図i)が確認できました。 、テーパー光検出器（上図j）、チューブ光検出器（上図k）、入射角検出表示により結果が異なります。
このうち、リング状および筒状の光検出器は、未発表のSi/Cr平面型光検出器と比較して、より広い高光電流検出角度を有しており、三次元微細構造が入射光の異方性検出に寄与していることが確認された。リング構造と比較して、管状光検出器は広角検出において優れた安定性を示します。
続いて、上記実験における構造物の入射角検出の違いをもとに、研究チームは、ディープ ニューラル ネットワークを使用して、さまざまな構造の光検出器に基づいた角度に敏感な検出モデルのセットを確立しました。
研究チームは、図f〜kの各光検出器の275の入射点からデータを収集し、3次元空間における入射光と光電の対応するデータベースを構築しました。ディープ ニューラル ネットワークを使用した経度と緯度のデータ セットのトレーニングでは、それぞれ 95% と 78% の精度が示されています (上図の l)。以上の技術により、83%、71%はそれぞれ入射光方向の経度、緯度の検出精度を実現しました。入射光の角度分解能は約 10° に達し、その角度予測の重みが重要であることが上の図 n からわかります。
ディープニューラルネットワークとナノフィルムアセンブリを組み合わせた三次元光検出器により、入射光の角度を高精度に予測することが可能です。このテクノロジーは、ウェアラブル デバイス、スマート家具、スマート運転システムにおいて貴重な応用可能性を示しています。
若い才能は意気盛んで、マイクロ電子デバイスは新たな発展を歓迎する
この論文の共同筆頭著者は、博士号取得候補者の Zhang Ziyu 氏と Wu Binmin 博士です。Zhang Ziyu は復旦大学物質科学学部の 2021 年の博士候補者であり、筆頭/共同筆頭著者として、Nature Communications や Advanced Materials などのジャーナルに 3 つの論文と単行本の章を発表し、9 つの論文の出版に参加しました。論文および単行本の章を作成し、中国の発明 2 特許を申請しました。
この研究結果が発表されたのと同じように、Zhang Ziyu氏も中国国立自然科学財団の若手学生基礎研究プロジェクト（博士課程候補者）の資金提供リストの第1期生に見事選ばれたことは言及に値する。
呉斌民も大きな功績を残した。数か月前、Wu Binmin 氏は「Science Advances」に「偏光感受性および全方向検出を備えた VO2 管状ボロメータのワンステップローリング製造」というタイトルの論文を筆頭著者として発表しました。研究チームはオンチップ管状ナノメーターを探索し、発見しました。 . 断熱効果と光閉じ込め効果に優れたフィルムです。
この研究は、Zhang Ziyu 氏と Wu Binmin 氏の最初の共同研究ではありません。2 人は、今年初めに「Advanced Materials」に「自己巻き上げ極薄単結晶シリコン」というタイトルの論文を共同執筆者として発表しました。オンチップ管状偏光光検出器用のナノメンブレン」。この研究は、自己回転型単結晶シリコン ナノフィルム偏光光検出器に焦点を当てています。
優れた著者だけでなく、二次元ナノマテリアルの進歩も注目に値します。特にデバイスの小型化、高機能化が進む現在では、ナノメートル、マイクロスケールで複雑な三次元構造を構築する電気デバイスが主要な分野から注目を集めています。世界中の企業が研究室に懸念を抱いています。
権威あるジャーナルである Nature Communications には、この側面に関連する多くの研究結果が掲載されています。たとえば、Felix Gabler らが 2019 年に発表した「磁気折り紙が高性能マイクロデバイスを作成する」という研究結果では、高アスペクト比のナノメンブレンの代替手法について言及しています。マイクロエレクトロニクスへの組み立て、外部磁場の影響により、その組み立てを遠隔から支援できるため、チップの製造プロセスが改善されます。
論文リンク:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10947-x
Zhang Ziyu と Wu Binmin の最新の協力では、ディープ ニューラル ネットワークとナノ フィルムを組み合わせて 3 次元光検出器を組み立て、高度な AI を統合することで、ウルトラ ムーアの到来を加速します。時代に貢献し、オプトエレクトロニクスアプリケーションの高度な開発にさらに貢献します。