یک ماده انقلابی جدید - سیلیکون سیاه
سیلیکون سیاه نوع جدیدی از ماده سیلیکونی با خواص اپتوالکترونیکی عالی است. این مقاله خلاصهای از تحقیقات اریک مازور و دیگر محققان در سالهای اخیر بر روی سیلیکون سیاه است و جزئیات مکانیسم تهیه و تشکیل سیلیکون سیاه و همچنین خواص آن مانند جذب، لومینسانس، انتشار میدان و پاسخ طیفی را شرح میدهد. همچنین به کاربردهای بالقوه مهم سیلیکون سیاه در آشکارسازهای مادون قرمز، سلولهای خورشیدی و نمایشگرهای صفحه تخت اشاره میکند.
سیلیکون کریستالی به دلیل مزایایی مانند سهولت خالصسازی، سهولت آلایش و مقاومت در برابر دمای بالا، به طور گسترده در صنعت نیمههادی مورد استفاده قرار میگیرد. با این حال، دارای معایب زیادی نیز هست، مانند بازتاب بالای نور مرئی و مادون قرمز روی سطح آن. علاوه بر این، به دلیل شکاف نواری بزرگ آن،سیلیکون کریستالینمیتواند نور با طول موجهای بیشتر از ۱۱۰۰ نانومتر را جذب کند. وقتی طول موج نور فرودی بیشتر از ۱۱۰۰ نانومتر باشد، میزان جذب و پاسخدهی آشکارسازهای سیلیکونی به میزان زیادی کاهش مییابد. برای تشخیص این طول موجها باید از مواد دیگری مانند ژرمانیوم و ایندیوم گالیوم آرسنید استفاده شود. با این حال، هزینه بالا، خواص ترمودینامیکی و کیفیت کریستالی ضعیف و ناسازگاری با فرآیندهای سیلیکونی بالغ موجود، کاربرد آنها را در دستگاههای مبتنی بر سیلیکون محدود میکند. بنابراین، کاهش بازتاب سطوح سیلیکونی کریستالی و گسترش محدوده طول موج تشخیص آشکارسازهای نوری مبتنی بر سیلیکون و سازگار با سیلیکون، همچنان یک موضوع تحقیقاتی داغ است.
برای کاهش بازتاب سطوح سیلیکون کریستالی، روشها و تکنیکهای تجربی زیادی مانند فوتولیتوگرافی، حکاکی یون واکنشی و حکاکی الکتروشیمیایی به کار گرفته شدهاند. این تکنیکها تا حدودی میتوانند مورفولوژی سطح و نزدیک به سطح سیلیکون کریستالی را تغییر دهند و در نتیجه ...سیلیکون بازتاب سطحی. در محدوده نور مرئی، کاهش بازتاب میتواند جذب را افزایش داده و راندمان دستگاه را بهبود بخشد. با این حال، در طول موجهای بیش از 1100 نانومتر، اگر هیچ سطح انرژی جذبی به شکاف باند سیلیکون وارد نشود، کاهش بازتاب تنها منجر به افزایش عبور میشود، زیرا شکاف باند سیلیکون در نهایت جذب نور با طول موج بلند را محدود میکند. بنابراین، برای گسترش محدوده طول موج حساس دستگاههای مبتنی بر سیلیکون و سازگار با سیلیکون، لازم است جذب فوتون در شکاف باند افزایش یابد و همزمان بازتاب سطح سیلیکون کاهش یابد.
در اواخر دهه ۱۹۹۰، پروفسور اریک مازور و دیگران در دانشگاه هاروارد، در طول تحقیقات خود در مورد برهمکنش لیزرهای فمتوثانیه با ماده، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، به ماده جدیدی - سیلیکون سیاه - دست یافتند. اریک مازور و همکارانش هنگام مطالعه خواص فوتوالکتریک سیلیکون سیاه، با کمال تعجب دریافتند که این ماده سیلیکونی ریزساختار دارای خواص فوتوالکتریک منحصر به فردی است. این ماده تقریباً تمام نور را در محدوده نزدیک به فرابنفش و نزدیک به مادون قرمز (۰.۲۵ تا ۲.۵ میکرومتر) جذب میکند و ویژگیهای لومینسانس مرئی و نزدیک به مادون قرمز عالی و خواص انتشار میدانی خوبی را از خود نشان میدهد. این کشف باعث ایجاد شور و هیجان در صنعت نیمههادی شد و مجلات بزرگ برای گزارش آن با هم رقابت میکردند. در سال ۱۹۹۹، مجلات Scientific American و Discover، در سال ۲۰۰۰ بخش علمی لسآنجلس تایمز و در سال ۲۰۰۱ مجله New Scientist همگی مقالات ویژهای را در مورد کشف سیلیکون سیاه و کاربردهای بالقوه آن منتشر کردند و معتقد بودند که این ماده ارزش بالقوه قابل توجهی در زمینههایی مانند سنجش از دور، ارتباطات نوری و میکروالکترونیک دارد.
در حال حاضر، تی. سامت از فرانسه، آنویف ام. مولونی از ایرلند، ژائو لی از دانشگاه فودان در چین و من هاینینگ از آکادمی علوم چین، همگی تحقیقات گستردهای در مورد سیلیکون سیاه انجام دادهاند و به نتایج اولیهای دست یافتهاند. SiOnyx، شرکتی در ماساچوست، ایالات متحده، حتی 11 میلیون دلار سرمایه خطرپذیر برای خدمت به عنوان یک پلتفرم توسعه فناوری برای سایر شرکتها جذب کرده است و تولید تجاری ویفرهای سیلیکون سیاه مبتنی بر حسگر را آغاز کرده است و آماده استفاده از محصولات نهایی در سیستمهای تصویربرداری مادون قرمز نسل بعدی است. استفن سیلور، مدیرعامل SiOnyx، اظهار داشت که مزایای کمهزینه و حساسیت بالای فناوری سیلیکون سیاه، ناگزیر توجه شرکتهایی را که بر بازارهای تحقیقاتی و تصویربرداری پزشکی متمرکز هستند، جلب خواهد کرد. در آینده، حتی ممکن است وارد بازار چند میلیارد دلاری دوربینهای دیجیتال و دوربینهای فیلمبرداری شود. SiOnyx همچنین در حال حاضر در حال آزمایش خواص فتوولتائیک سیلیکون سیاه است و بسیار محتمل است کهسیلیکون سیاهدر آینده در سلولهای خورشیدی استفاده خواهد شد. ۱. فرآیند تشکیل سیلیکون سیاه
۱.۱ فرآیند آمادهسازی
ویفرهای سیلیکونی تک کریستالی به ترتیب با تری کلرواتیلن، استون و متانول تمیز میشوند و سپس روی یک مرحله هدف متحرک سهبعدی در یک محفظه خلاء قرار میگیرند. فشار پایه محفظه خلاء کمتر از 1.3 × 10⁻² پاسکال است. گاز عامل میتواند SF6، Cl₂، N₂، هوا، H₂S، H₂، SiH₄ و غیره باشد که فشار کاری آن 6.7 × 10⁴ پاسکال است. به عنوان یک روش جایگزین، میتوان از محیط خلاء استفاده کرد یا پودرهای عنصری S، Se یا Te را میتوان در خلاء روی سطح سیلیکون پوشش داد. مرحله هدف همچنین میتواند در آب غوطهور شود. پالسهای فمتوثانیهای (۸۰۰ نانومتر، ۱۰۰ فمتوثانیه، ۵۰۰ میکروژول، ۱ کیلوهرتز) که توسط یک تقویتکننده احیاکننده لیزر Ti:sapphire تولید میشوند، توسط یک لنز متمرکز شده و به صورت عمود بر سطح سیلیکون تابانده میشوند (انرژی خروجی لیزر توسط یک تضعیفکننده، که شامل یک صفحه نیمموج و یک قطبشگر است، کنترل میشود). با حرکت دادن مرحله هدف برای اسکن سطح سیلیکون با نقطه لیزر، میتوان ماده سیلیکونی سیاه با مساحت بزرگ را به دست آورد. تغییر فاصله بین لنز و ویفر سیلیکونی میتواند اندازه نقطه نور تابیده شده بر سطح سیلیکون را تنظیم کند و در نتیجه شار لیزر را تغییر دهد. هنگامی که اندازه نقطه ثابت است، تغییر سرعت حرکت مرحله هدف میتواند تعداد پالسهای تابیده شده بر واحد سطح سطح سیلیکون را تنظیم کند. گاز عامل به طور قابل توجهی بر شکل ریزساختار سطح سیلیکون تأثیر میگذارد. هنگامی که گاز عامل ثابت است، تغییر شار لیزر و تعداد پالسهای دریافتی در واحد سطح میتواند ارتفاع، نسبت ابعاد و فاصله ریزساختارها را کنترل کند.
۱.۲ ویژگیهای میکروسکوپی
پس از تابش لیزر فمتوثانیهای، سطح سیلیکون کریستالی صاف اولیه، آرایهای از ساختارهای مخروطی ریز با آرایش شبهمنظم را نشان میدهد. رأسهای مخروطی در همان صفحهای قرار دارند که سطح سیلیکون تابشندیده اطراف قرار دارد. شکل ساختار مخروطی، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، به گاز عامل مربوط میشود، جایی که ساختارهای مخروطی نشان داده شده در (الف)، (ب) و (ج) به ترتیب در اتمسفرهای SF6، S و N2 تشکیل شدهاند. با این حال، جهت رأسهای مخروطی مستقل از گاز است و همیشه در جهت تابش لیزر قرار دارد، تحت تأثیر گرانش قرار نمیگیرد و همچنین مستقل از نوع آلایش، مقاومت ویژه و جهتگیری کریستال سیلیکون کریستالی است. پایههای مخروطی نامتقارن هستند و محور کوتاه آنها موازی با جهت قطبش لیزر است. ساختارهای مخروطی که در هوا تشکیل میشوند، ناهموارترین هستند و سطوح آنها با نانوساختارهای دندریتی حتی ظریفتر با اندازه 10 تا 100 نانومتر پوشیده شده است.
هرچه شار لیزر بیشتر و تعداد پالسها بیشتر باشد، ساختارهای مخروطی بلندتر و پهنتر میشوند. در گاز SF6، ارتفاع h و فاصله d ساختارهای مخروطی رابطهای غیرخطی دارند که تقریباً میتوان آن را به صورت h∝dp بیان کرد، که در آن p=2.4±0.1؛ هم ارتفاع h و هم فاصله d با افزایش شار لیزر به طور قابل توجهی افزایش مییابند. وقتی شار از 5 کیلوژول بر متر مربع به 10 کیلوژول بر متر مربع افزایش مییابد، فاصله d 3 برابر افزایش مییابد و در ترکیب با رابطه بین h و d، ارتفاع h 12 برابر افزایش مییابد.
پس از عملیات حرارتی در دمای بالا (۱۲۰۰ کلوین، ۳ ساعت) در خلاء، ساختارهای مخروطی شکلسیلیکون سیاهتغییر قابل توجهی نکرد، اما نانوساختارهای دندریتی 10 تا 100 نانومتری روی سطح به شدت کاهش یافتند. طیفسنجی کانال یونی نشان داد که بینظمی روی سطح مخروطی پس از عملیات حرارتی کاهش یافته است، اما بیشتر ساختارهای بینظم تحت این شرایط عملیات حرارتی تغییر نکردند.
۱.۳ مکانیسم تشکیل
در حال حاضر، مکانیسم تشکیل سیلیکون سیاه مشخص نیست. با این حال، اریک مازور و همکارانش، بر اساس تغییر شکل ریزساختار سطح سیلیکون با اتمسفر کاری، حدس زدند که تحت تحریک لیزرهای فمتوثانیه با شدت بالا، یک واکنش شیمیایی بین گاز و سطح سیلیکون کریستالی رخ میدهد که به سطح سیلیکون اجازه میدهد توسط گازهای خاصی حکاکی شود و مخروطهای تیز تشکیل دهد. اریک مازور و همکارانش مکانیسمهای فیزیکی و شیمیایی تشکیل ریزساختار سطح سیلیکون را به موارد زیر نسبت دادند: ذوب و فرسایش زیرلایه سیلیکونی ناشی از پالسهای لیزر با شار بالا؛ حکاکی زیرلایه سیلیکونی توسط یونها و ذرات واکنشی تولید شده توسط میدان لیزر قوی؛ و تبلور مجدد قسمت فرسایش یافته سیلیکون زیرلایه.
ساختارهای مخروطی روی سطح سیلیکون به طور خود به خود تشکیل میشوند و یک آرایه شبه منظم میتواند بدون ماسک تشکیل شود. MY Shen و همکارانش یک شبکه مسی میکروسکوپ الکترونی عبوری با ضخامت 2 میکرومتر را به عنوان ماسک به سطح سیلیکون متصل کردند و سپس ویفر سیلیکونی را در گاز SF6 با لیزر فمتوثانیه تابش دادند. آنها یک آرایه بسیار منظم از ساختارهای مخروطی روی سطح سیلیکون به دست آوردند که با الگوی ماسک سازگار است (شکل 4 را ببینید). اندازه روزنه ماسک به طور قابل توجهی بر چیدمان ساختارهای مخروطی تأثیر میگذارد. پراش لیزر فرودی توسط روزنههای ماسک باعث توزیع غیر یکنواخت انرژی لیزر روی سطح سیلیکون میشود و در نتیجه توزیع دمای دورهای روی سطح سیلیکون ایجاد میشود. این در نهایت آرایه ساختار سطح سیلیکون را مجبور به منظم شدن میکند.