Onderzoekers bereiken ongekende nanostructurering binnen silicium

Silicium, de hoeksteen van moderne elektronica, fotovoltaïsche cellen en fotonica, is traditioneel beperkt gebleven tot nanofabricatie op oppervlakteniveau vanwege de uitdagingen die bestaande lithografische technieken met zich meebrengen. Beschikbare methoden slagen er niet in om het waferoppervlak te penetreren zonder veranderingen te veroorzaken of worden beperkt door de resolutie op micronschaal van laserlithografie binnen Si.

In de geest van Richard Feynmans beroemde uitspraak, “Er is genoeg ruimte aan de onderkant,” sluit deze doorbraak aan bij de visie om materie op nanoschaal te verkennen en te manipuleren. De innovatieve techniek die is ontwikkeld door een team van Bilkent University overtreft de huidige beperkingen en maakt gecontroleerde fabricage van nanostructuren mogelijk die diep in siliciumwafers zijn begraven met ongekende controle.

Het werk komt naar voren in Natuurcommunicatie.

Het team pakte de dubbele uitdaging aan van complexe optische effecten binnen de wafer en de inherente diffractielimiet van het laserlicht. Ze overwinnen deze door een speciaal type laserpuls te gebruiken, gecreëerd door een aanpak genaamd ruimtelijke lichtmodulatie. De niet-diffracterende aard van de straal overwint optische verstrooiingseffecten die voorheen precieze energiedepositie belemmerden, waardoor extreem kleine, gelokaliseerde holtes in de wafer ontstonden.

Dit proces wordt gevolgd door een emergent seeding-effect, waarbij voorgevormde subsurface nano-voids een sterke veldverbetering rond hun directe omgeving tot stand brengen. Dit nieuwe fabricageregime markeert een verbetering van een orde van grootte ten opzichte van de state-of-the-art, en bereikt feature sizes tot 100 nm.

“Onze aanpak is gebaseerd op het lokaliseren van de energie van de laserpuls binnen een halfgeleidermateriaal tot een extreem klein volume, zodat men emergente veldversterkingseffecten kan benutten die analoog zijn aan die in plasmonics. Dit leidt tot subgolflengte- en multidimensionale controle direct binnen het materiaal,” legde Prof. Tokel uit. “We kunnen nu nanofotonische elementen fabriceren die begraven zijn in silicium, zoals nanoroosters met een hoge diffractie-efficiëntie en zelfs spectrale controle.”

De onderzoekers gebruikten ruimtelijk gemoduleerde laserpulsen, technisch gezien overeenkomend met een Bessel-functie. De niet-diffracterende aard van deze speciale laserstraal, die is gecreëerd met geavanceerde holografische projectietechnieken, maakt nauwkeurige energielokalisatie mogelijk. Dit leidt op zijn beurt tot hoge temperatuur- en drukwaarden die voldoende zijn om het materiaal bij een klein volume te modificeren.

Opmerkelijk genoeg houdt de resulterende veldverbetering, zodra deze eenmaal is vastgesteld, zichzelf in stand via een seeding-type mechanisme. Simpel gezegd, de creatie van eerdere nanostructuren helpt bij het fabriceren van de latere nanostructuren. Het gebruik van laserpolarisatie biedt extra controle over de uitlijning en symmetrie van nanostructuren, waardoor de creatie van diverse nano-arrays met hoge precisie mogelijk wordt.

“Door het anisotrope feedbackmechanisme te benutten dat in het laser-materiaalinteractiesysteem wordt aangetroffen, hebben we polarisatiegestuurde nanolithografie in silicium bereikt,” aldus Dr. Asgari Sabet, de eerste auteur van de studie. “Deze mogelijkheid stelt ons in staat om de uitlijning en symmetrie van de nanostructuren op nanoschaal te sturen.”

Het onderzoeksteam demonstreerde volumetrische nanostructurering op grote oppervlakken met functies buiten de diffractielimiet, waardoor proof-of-concept begraven nanofotonische elementen mogelijk werden. Deze ontwikkelingen hebben belangrijke implicaties voor de ontwikkeling van nanoschaalsystemen met unieke architecturen.

“Wij geloven dat de opkomende ontwerpvrijheid in misschien wel het belangrijkste technologische materiaal opwindende toepassingen zal vinden in elektronica en fotonica,” zei Tokel. “De beyond-diffraction-limit-functies en multidimensionale controle impliceren toekomstige ontwikkelingen, zoals metasurfaces, metamaterialen, fotonische kristallen, talloze informatieverwerkingstoepassingen en zelfs 3D-geïntegreerde elektronisch-fotonische systemen.”

“Onze bevindingen introduceren een nieuw fabricageparadigma voor silicium,” concludeerde Prof. Tokel, “De mogelijkheid om op nanoschaal direct in silicium te fabriceren opent een nieuw regime, richting verdere integratie en geavanceerde fotonica. We kunnen nu beginnen met de vraag of volledige driedimensionale nanofabricage in silicium mogelijk is. Onze studie is de eerste stap in die richting.”

Naast Sabet en Tokel bestaat het onderzoeksteam uit Aqiq Ishraq, Alperen Saltik en Mehmet Bütün, allen verbonden aan de afdeling natuurkunde en het National Nanotechnology Research Center van de Bilkent University. Hun expertise bestrijkt verschillende vakgebieden, waaronder optica, materiaalkunde en nanotechnologie.