Новое интегрированное устройство для измерений в нанометровом масштабе
Исследователи из Технологического университета Эйндховена разработали новый интегрированный оптический сенсор, обеспечивающий повышенное разрешение измерений. Эта разработка открывает путь к созданию полностью интегрированных и компактных оптических сенсоров, включающих лазеры и детекторы, для платформ сенсоров на чипе. Такие сенсоры могут сыграть ключевую роль в точных измерениях смещения и силы в наномасштабе, что критически важно для проектирования и оценки микрочипов и наноустройств. Исследование опубликовано в Nature Communications.
В эпоху наноэлектроники ключевую роль играет точность. Например, наноструктуры можно контролировать с помощью нанооптических инструментов — крошечных световых систем, измеряющих мельчайшие вариации поверхности, силы и движения. Поскольку важны разрешение и скорость, в сенсорных приложениях, таких как атомно-силовые микроскопы (AFM), часто используются оптические считывающие сенсоры на основе оптомеханических систем. Эти устройства генерируют изображения с разрешением менее нанометра, измеряя лазерный свет, отраженный от отклонения кантилевера над исследуемой поверхностью.
Однако традиционные лазерные подходы, как в AFM, могут быть громоздкими. Это, наряду с требованием снижения стоимости и повышения разрешения, мотивирует поиск альтернативных решений. Благодаря развитию нанооптомеханических систем (NOMS) достижимы компактные оптические сенсоры для измерения движения, силы и массы в наномасштабе. Ограничивающим фактором, однако, является необходимость в перестраиваемом лазере с узкой шириной линии, который может быть сложно адекватно интегрировать в устройство.
Чтобы обойти эту проблему, Тяньрань Лю, Андреа Фиоре и их коллеги из Института фотонной интеграции TU/e разработали новое оптомеханическое устройство с разрешением 45 фемтометров (что примерно в 1/1000 раза меньше самого маленького атома) при времени измерения в доли секунды. Ключевым моментом является то, что устройство имеет сверхширокую оптическую полосу пропускания в 80 нм, что устраняет необходимость в перестраиваемом лазере.
Волноводы и широкий диапазон длин волн
Сенсор основан на платформе мембраны из фосфида индия на кремнии (IMOS), которая идеально подходит для включения пассивных компонентов, таких как лазеры или детекторы. Сам сенсор состоит из четырёх волноводов — структур, ограничивающих световые сигналы определённым путём и направлением. Два волновода подвешены над двумя выходными волноводами. Когда подвешенный волновод приближается к выходным волноводам на мембране InP, относительное количество сигнала, переносимого выходными волноводами, меняется. Изготовление происходит с помощью серии литографических шагов для определения волноводов и кантилевера. Конечный сенсор состоит из преобразователей, актюатора и фотодиодов.
Одним из ключевых преимуществ этого сенсора является работа в широком диапазоне длин волн, что устраняет необходимость в дорогом лазере на устройстве. По разрешению измерения отклонения кантилевера сенсор также соответствует разрешению кантилеверов в традиционных, но громоздких AFM.
Используя это новое устройство в качестве основы, исследователи планируют разработать целую «лабораторию нанометрологии», интегрированную на чипе. Она может использоваться для метрологии полупроводников и поможет в проектировании следующего поколения микрочипов и наноэлектроники.