研究人员巧用制造技术推动半导体进步

从热退火到原子级剥离，研究人员正在重新思考制造瓶颈，以解锁半导体新的性能上限。

密歇根大学、麻省理工学院、威斯康星大学麦迪逊分校和多伦多大学的研究团队最近展示了如何通过新颖的工艺调整，而不仅仅是新材料，来显著提高设备性能和可扩展性。这些制造技术可以推动从压电传感、红外成像到太阳能能的应用。

热处理技术大幅提升压电薄膜性能

密歇根大学的工程师们通过简单的生长后热退火步骤，将钪铝氮化物（ScAlN）的压电响应提高了八倍——这种材料已被视为传统陶瓷如 PZT 的继任者。转折点？将材料加热至 700°C 持续两小时，重新排列错位的晶粒，从而显著提升了机电性能。 大学

压电材料可以将压力转换为电信号，反之亦然，在射频滤波器、超声波探头、振动传感器和能量收集器中发挥着关键作用。但在钪铝氮化物等氮化物薄膜中，其全部性能潜力长期以来一直受沉积过程中引入的微观缺陷所限制。

左侧为米泽天教授，右侧为莫尔达尔博士生讨论他们的研究。图片由 Marcin Szczepanski 提供， 密歇根大学

通过纠正这些缺陷并实现均匀晶粒取向，密歇根大学团队将压电系数（d₃₃）从 12.3 pC/N 提高到 45.5 pC/N——远超当前 5G 设备中氧化铝氮的 6–7 pC/N 典型值。重要的是，这种提升不需要新的工具或奇特的制造技术，使其与现有的半导体工作流程高度兼容。

应用范围广泛：高灵敏度麦克风、低功耗医学超声成像、嵌入智能道路的交通供电传感器以及利用环境机械能的低功耗物联网节点。美国国防高级研究计划局（DARPA）已支持该研究用于原子钟，暗示国防部门对此有浓厚兴趣。

这种退火技术可能成为 MEMS 和射频前端生产中的标准附加步骤，为高性能压电元件提供了一条低成本途径。

原子剥离技术产生超薄“皮肤”用于红外视觉。

麻省理工学院和威斯康星大学麦迪逊分校在电子材料制造领域打破了一项长期存在的障碍：如何在批量生产超薄传感薄膜的同时不牺牲性能或可扩展性。成果是一种 10 纳米厚的热释电薄膜 ，这是目前制造的最薄的薄膜，能够检测整个红外光谱的细微温度变化——无需冷却。

与依赖庞大低温系统的传统中红外传感器不同，这种新薄膜在室温下工作，性能与最先进的夜视技术相当。仅此一点就使其成为下一代夜视眼镜和自动驾驶系统的变革者，在这些应用中，重量、功耗和尺寸至关重要。

新的薄膜可能带来更轻便、更便携、高精度的远红外传感设备。图片由 Adam Glanzman 提供， 麻省理工学院

关键创新是一种新型原子剥离（ALO）技术。使用一种名为 PMN-PT 的热释电材料，研究人员发现他们可以毫无痕迹地将超薄膜从其基板上剥离，而无需释放层，这得益于铅原子像原子级特氟龙一样的作用。这些原子在生长过程中防止结合，从而实现无缺陷的分离和转移，可应用于柔性电子或芯片级阵列。

具有创纪录的高热释电系数和优异的热敏感性，这些自由-standing 薄膜为可穿戴传感器、红外相机、智能纺织品和电子热诊断开辟了新的前沿。更棒的是，ALO 方法具有普适性；其他材料可以进行调节以实现类似的剥离行为，这使得这不仅仅是一次实验室的成功，而且是一个可扩展的薄膜制造平台。

随着团队朝着系统集成和环境测试迈进，从洁净室到商业现实的路径已经形成，为夜视眼镜到自动驾驶汽车等一切事物带来无需电源的红外传感。

香港理工大学突破效率极限，创纪录的叠层太阳能电池

在香港理工大学（PolyU），研究人员实现了太阳能行业许多人长期以来追求的目标：在钙钛矿/硅叠层太阳能电池中获得了认证的 33.89% 转换效率 （PCE），正式超过了单结器件的肖克利-奎瑟极限。这不仅仅是一个记录，这个里程碑展示了商业可扩展的太阳能技术的可行路径，突破了长期存在的理论障碍。

关键创新是一种双层界面钝化策略，解决了叠层太阳能发展中一个最持久的障碍：由于钙钛矿层和电子传输材料之间的界面复合导致的电荷损失。香港理工大学团队层了一种超薄的氟化锂（LiF）薄膜和短链乙二胺二碘化物（EDAI），实现了协同场效应和化学钝化。这种技术显著提高了载流子寿命并抑制了非辐射复合，这是叠层电池架构中的主要效率瓶颈之一。

聚焦大学应用物理系副教授尹军教授开创了新型双层界面钝化策略，用于开发高效叠层太阳能电池。图片由聚焦大学提供

从制造角度来看，聚焦大学还实施了一种双纹理硅异质结基底，最大限度地提高了光捕获，同时保持了高背面钝化。结果不仅获得了33.89%的转换效率，还有83%的填充因子和接近1.97伏的开路电压——同时展示了强大的运行稳定性。

该工艺适用于多种钙钛矿化学体系，并且兼容真空和溶液处理沉积方法，具有真正的工业潜力。应用包括高产的屋顶面板、下一代太阳能农场，甚至用于物联网和边缘系统中的集成电源解决方案，其中功率密度至关重要。

随着与长虹等工业合作伙伴的合作以及来自晶科能源和中晶太阳能的日益激烈竞争， PolyU 的双层策略可能会定义高效光伏的下一阶段，将钙钛矿叠层电池从研发推向稳健、市场化的平台。