半導(dǎo)體行業(yè)自 20 世紀(jì)中葉邁出第一步以來一直在穩(wěn)步增長，并且由于其支持的高速信息和通信技術(shù)，它已經(jīng)讓位于社會的快速數(shù)字化。隨著全球能源需求的緊張，對更快、更集成和更節(jié)能的半導(dǎo)體設(shè)備的需求不斷增長。

　　然而，現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝已經(jīng)達(dá)到納米尺度，新型高性能材料的設(shè)計現(xiàn)在涉及到半導(dǎo)體納米薄膜的結(jié)構(gòu)分析。反射高能電子衍射 (RHEED) 是為此目的廣泛使用的分析方法。RHEED 可用于在原子水平上確定薄膜表面形成的結(jié)構(gòu)，甚至可以在合成薄膜時實時捕捉結(jié)構(gòu)變化!

　　由東京理科大學(xué) (TUS) 客座副教授、日本國立材料科學(xué)研究所 (NIMS) 高級研究員 Naoka Nagamura 博士領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員一直致力于此。在他們于 2022 年 6 月 9 日在線發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)材料科學(xué)與技術(shù)：方法》上的最新研究中，探索了使用機(jī)器學(xué)習(xí)自動分析 RHEED 數(shù)據(jù)的可能性。這項工作得到了 JST-PRESTO 和 JST-CREST 的支持，是 TUS 和日本 NIMS 聯(lián)合研究的結(jié)果。

　　研究人員專注于在干凈的單晶硅的第一個原子層上形成的表面超結(jié)構(gòu)，這取決于吸附的銦原子的數(shù)量和溫度的微小差異。表面超結(jié)構(gòu)是晶體表面獨有的原子排列，其中原子以不同于晶體內(nèi)部的周期性模式穩(wěn)定，這取決于周圍環(huán)境的差異。因為它們經(jīng)常表現(xiàn)出獨特的物理特性，所以表面上層結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)中非常感興趣的焦點。

　　首先，該團(tuán)隊使用了不同的層次聚類方法，旨在根據(jù)各種相似性度量將樣本劃分為不同的聚類。這種方法用于檢測存在多少不同的表面超結(jié)構(gòu)。在嘗試了不同的技術(shù)后，研究人員發(fā)現(xiàn)沃德的方法可以最好地跟蹤表面超結(jié)構(gòu)中的實際相變。

　　然后，科學(xué)家們試圖確定合成每個已識別的表面超結(jié)構(gòu)的最佳工藝條件。他們專注于最廣泛地形成每個上層結(jié)構(gòu)的銦沉積時間。非負(fù)矩陣分解，一種不同的聚類和降維技術(shù)，可以準(zhǔn)確自動地獲得每個上層結(jié)構(gòu)的最佳沉積時間。

　　總體而言，本研究報告的研究結(jié)果有望帶來將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，的新的有效方法，材料信息學(xué)領(lǐng)域的一個中心話題。

　　反過來，隨著現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)使用更好的材料進(jìn)行升級，這將對我們的日常生活產(chǎn)生影響。

　　該方法不僅可用于分析在薄膜硅單晶表面、金屬晶體表面、藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵和各種其他重要襯底上生長的超結(jié)構(gòu)。