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对话学者:罗彻斯特理工学院 George Nelson 博士

您好 George,您能否介绍下自己并说明一下您的研究工作?

我是罗彻斯特理工学院的博士后研究员,在微功耗研究实验室的 Seth Hubbard 教授的手下工作。我于 2019 年在 Hubbard 教授的团队中获得了博士学位,我的博士后工作则是我读博期间研究的延续。我们的团队专门研究用于卫星行业的 III-V 太阳能电池。在为太空设计电池时,很重要的一点无疑是太空环境对电池性能的影响。在卫星执行任务的过程中,高能粒子会不断轰击电池的晶体结构并置换原子,随着这些晶格的缺陷越来越多,电池的功率输出也将越来越低。会导致这种性能损失的特定缺陷正是我们所要关注的重点,而我经常用于研究这些缺陷的技术则是深能级瞬态谱 (DLTS)。

DLTS 的原理是什么?潜在的应用有哪些?

DLTS 是一种非破坏性技术,可用于检测半导体器件中的特定晶体缺陷,并表征这些缺陷的电子特性,例如能带隙内的能级及其浓度。在适合的情况下,DLTS 能够相当有效地识别半导体材料中存在的已知缺陷以及此前从未被发现的缺陷。一般而言,DLTS 需要一种可以通过施加偏压来调制内部电场的器件,例如 PN 结或肖特基二极管。这类缺陷通常比较微小且数量众多,密度至少为 108 cm-3,通常会更高,而且还必须是电活性缺陷。

也许,历史上最著名的 DLTS 成果就是金污染硅检测或 n-型砷化铝镓中供体配合物的检测,DLTS 在其中发挥了重要作用,帮助解释了这些材料所制成的器件性能不佳的原因。而在 2019 年,一个研究团队宣布他们的 DLTS 结果可以解释硅太阳能电池中的光致衰退效应的原因,这个问题曾困扰整个行业长达四十年。

Zurich Instruments 的 MFIA 阻抗分析仪在您的 DLTS 系统中发挥了怎样的作用?

我们的 DLTS 系统包含温度控制器、一款专为 DLTS 设计的低温恒温器、一台电脑以及 MFIA。MFIA 取代了传统 DLTS 系统中的三个组成部分,因为它主要可以用作电容计,又可以充当脉冲发生器和数据采集系统。这种系统非常经济实用。

MFIA 支持参数精细调节,例如频率和幅度,而这类参数在其他仪表中通常是固定不变的,因此这个功能非常实用。因为 DLTS 中经常会出现一些极端情况,在这类情况下,这种“通用”参数并不理想。MFIA体积小巧,这也非常实用。因为这种带有笔记本电脑的 DLTS 系统外形紧凑小巧、方便携带,还能承担很多工作,特别是在我们需要将其带到空间有限的粒子加速器设施中时,这些特点就很有帮助。

我们此前的商用 DLTS 系统有数十个物理旋钮和开关,很容易出错,而且开始或停止实验时还必须有人在场。有了新系统和 MFIA 之后,我可以通过 MATLAB® 软件控制一切;实验甚至可以远程实施或加入队列。而得益于它的方便的 API,我甚至可以轻松地编写个性化软件来控制 MFIA。我一直在收集各种有用的数据。到目前为止,在数据收集量方面,我的效率已经比使用旧商用 DLTS 系统时提高了一个数量级。

是什么促使您对 DLTS 系统进行升级?

之前,我学会了如何在旧版商业系统上执行 DLTS。旧版系统中信号发生和处理都是在模拟电路中实现的,瞬态处理就在这一模拟电路中进行。这严重限制了数据分析的种类,因为一旦要对信号处理进行更改,我就必须修改电路。可以借助 MFIA 将瞬态数据数字化:我可以在软件中处理衰减分量。我可以按照自己的意愿自由地执行任意类型的处理或拟合,并且我可以不断使用新技术更新软件。

关于您编写的用于控制 DLTS系统的软件,能否给我们详细介绍一下?

一开始,我完全不敢想象编写自己的一套 DLTS 软件。而一旦投身其中后,我发现这并没有想象的那么难。当时,我已经对物理原理以及接线等许多实际因素有所了解。得益于 MFIA 的文档详尽的 API开发包和示例脚本,MFIA 的编程非常简单。LabOne® Web 服务器上的指令日志具有重要价值,它让我知道我在 LabOne 用户界面中的单击操作对应的代码,便于我快速将 LabOne 交互操作转换成我自己的代码。据我所知,我的代码是现有的最完整的开源 DLTS 软件。它目前是 MATLAB® 脚本的集合,可以用来获取和处理电容瞬态。它也具有阻抗或导纳光谱的功能。虽然DLTS 很复杂,我正在全力以赴编写文档和操作指南,让它变得更易于使用。我即将发布 v1.0,而对于 v2.0,我的计划是将所有内容迁移到 Python 并改进用户界面。我希望这套代码能对 DLTS 社区有所助益,也许我会收到对我自己的实验也有帮助的反馈。

您已经开发了十分先进的太阳能电池:它们在减少碳足迹方面可以发挥什么作用?

III-V 太阳能电池无疑是十分高效的,并且成品可以比硅电池更小巧轻便且机械柔韧性更佳。关于 III-V 电池,我最喜欢的一点是可以把它设计成能够吸收高能量的可见光和 UV 光,同时反射红外光,从而防止不必要的加热。这些轻量化的高效率电池可以应用在汽车、飞机或楼宇中。遗憾的是,III-V 电池的成本是同等性能的硅电池的十到一百倍。这导致 III-V 在非太空市场中受挫;目前,卫星行业是唯一愿意为它更出色的性能而买单的行业。成本问题主要是由基材造成的,如果找到了制作优质虚衬底的方法,就可以消除这个问题。许多团队正在致力于攻克这一难题,其中包括我们团队。

您在实验室之外有什么兴趣?

我不陪伴妻子和儿子时,会去健身房举重、跑步或打网球。我愿意在周末做些零活,喜欢修理旧电子设备、汽车和房舍等。我还在努力成为一名历史爱好者,尤其是科学史和哲学史。

George Nelson

George Nelson 博士是罗彻斯特理工学院 (RIT) 的博士后研究员。他主要研究用于卫星行业的 III-V 太阳能电池。

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