E revolutionärt neit Material – schwaarzt Silizium
Schwaarzt Silizium ass eng nei Zort Siliziummaterial mat exzellenten optoelektroneschen Eegeschaften. Dësen Artikel resüméiert d'Fuerschungsaarbecht vum Eric Mazur an anere Fuerscher iwwer schwaarzt Silizium an de leschte Joren a beschreift am Detail de Virbereedungs- a Bildungsmechanismus vu schwaarzem Silizium, souwéi seng Eegeschafte wéi Absorptioun, Lumineszenz, Feldemissioun a Spektralantwort. Hie weist och op déi wichteg potenziell Uwendungen vu schwaarzem Silizium an Infraroutdetekteren, Solarzellen a Flachbildschiermer hin.
Kristallinescht Silizium gëtt wäit an der Hallefleederindustrie benotzt wéinst senge Virdeeler wéi einfacher Reinigung, einfacher Dotierung a Resistenz géint héich Temperaturen. Wéinst senger grousser Bandlück huet et awer och vill Nodeeler, wéi eng héich Reflexioun vu siichtbarem an infraroudem Liicht op senger Uewerfläch. Ausserdeem, wéinst senger grousser Bandlück,kristallint Siliziumkënnen kee Liicht mat Wellelängte méi grouss wéi 1100 nm absorbéieren. Wann d'Wellelängt vum afalenden Liicht méi grouss wéi 1100 nm ass, ginn d'Absorptiouns- an d'Äntwertquote vu Siliziumdetektoren däitlech reduzéiert. Aner Materialien wéi Germanium an Indium-Galliumarsenid musse benotzt ginn, fir dës Wellelängten ze detektéieren. Wéi och ëmmer, déi héich Käschten, déi schlecht thermodynamesch Eegeschaften a Kristallqualitéit, an d'Inkompatibilitéit mat existente reife Siliziumprozesser limitéieren hir Uwendung a Siliziumbaséierten Apparater. Dofir bleift d'Reduzéierung vun der Reflexioun vu kristalline Siliziumoberflächen an d'Erweiderung vum Detektiounswellelängteberäich vu Siliziumbaséierten a Siliziumkompatiblen Photodetektoren en aktuellt Fuerschungsthema.
Fir d'Reflexioun vu kristalline Siliziumoberflächen ze reduzéieren, goufen eng Rei experimentell Methoden an Techniken agesat, wéi z. B. Photolithographie, Reaktivionenätzen an elektrochemesch Ätzen. Dës Technike kënnen, bis zu engem gewësse Grad, d'Uewerflächen- a Uewerflächennomorphologie vu kristallinem Silizium änneren, an doduerch d'Reflexioun reduzéieren.Silizium Uewerflächenreflexioun. Am Beräich vum siichtbare Liicht kann d'Reduktioun vun der Reflexioun d'Absorptioun erhéijen an d'Effizienz vun den Apparater verbesseren. Wann awer bei Wellelängten iwwer 1100 nm keng Absorptiounsenergieniveauen an d'Siliziumbandlück agefouert ginn, féiert eng reduzéiert Reflexioun nëmmen zu enger erhéichter Transmissioun, well d'Bandlück vum Silizium letztendlech seng Absorptioun vu laangwellege Liicht limitéiert. Dofir ass et néideg, fir de sensiblen Wellelängteberäich vu Siliziumbaséierten an Siliziumkompatiblen Apparater ze erweideren, d'Photonenabsorptioun an der Bandlück ze erhéijen an gläichzäiteg d'Siliziumuewerflächenreflexioun ze reduzéieren.
Enn der 1990er Joren hunn de Professer Eric Mazur an aner vun der Harvard Universitéit e neit Material - schwaarzt Silizium - während hirer Fuerschung iwwer d'Interaktioun vu Femtosekonnenlaser mat Matière fonnt, wéi an der Figur 1 gewisen. Wärend der Studie vun de photoelektresche Eegeschafte vu schwaarzem Silizium waren den Eric Mazur a seng Kollegen iwwerrascht ze entdecken, datt dëst mikrostrukturéiert Siliziummaterial eenzegaarteg photoelektresch Eegeschafte huet. Et absorbéiert bal all Liicht am noen Ultraviolett- an Infraroutberäich (0,25–2,5 μm) a weist exzellent siichtbar an Infrarout-Lumineszenzcharakteristiken a gutt Feldemissiounseigenschaften op. Dës Entdeckung huet eng Sensatioun an der Hallefleederindustrie ausgeléist, mat grousse Zäitschrëften, déi sech beméit hunn, driwwer ze berichten. Am Joer 1999 hunn d'Zäitschrëften Scientific American an Discover, am Joer 2000 d'Wëssenschaftssektioun Los Angeles Times an am Joer 2001 d'Zäitschrëft New Scientist all Featureartikelen publizéiert, déi d'Entdeckung vu schwaarzem Silizium a seng potenziell Uwendungen diskutéiert hunn, well se gegleeft hunn, datt et e bedeitende potenziellen Wäert a Beräicher wéi Fernerkundung, optesch Kommunikatioun a Mikroelektronik huet.
Aktuell hunn den T. Samet aus Frankräich, d'Anoife M. Moloney aus Irland, den Zhao Li vun der Fudan Universitéit a China an de Men Haining vun der Chinesescher Akademie vun de Wëssenschaften all extensiv Fuerschung iwwer schwaarzt Silizium duerchgefouert a virleefeg Resultater erreecht. SiOnyx, eng Firma a Massachusetts, USA, huet souguer 11 Milliounen Dollar u Risikokapital gesammelt, fir als Technologieentwécklungsplattform fir aner Firmen ze déngen, an huet mat der kommerzieller Produktioun vu sensorbaséierte schwaarze Siliziumwaferen ugefaangen, fir déi fäerdeg Produkter an Infrarout-Bildgebungssystemer vun der nächster Generatioun ze benotzen. De Stephen Saylor, CEO vu SiOnyx, sot, datt déi niddreg Käschten an déi héich Empfindlechkeetsvirdeeler vun der schwaarzer Siliziumtechnologie zwangsleefeg d'Opmierksamkeet vu Firmen op sech zéien, déi sech op Fuerschung a medizinesch Bildgebungsmäert konzentréieren. An Zukunft kéint et souguer op de Multi-Milliarde-Dollar Maart fir digital Kameraen a Camcorder kommen. SiOnyx experimentéiert och de Moment mat de photovoltaesche Eegeschafte vu schwaarzem Silizium, an et ass héichwahrscheinlech, datt...schwaarzt Siliziumgëtt an Zukunft a Solarzellen benotzt. 1. Bildungsprozess vu schwaarzem Silizium
1.1 Virbereedungsprozess
Eenkristall Siliziumwafer ginn hannereneen mat Trichlorethylen, Aceton a Methanol gereinegt an dann op eng dräidimensional beweeglech Ziltisch an enger Vakuumkammer placéiert. Den Basisdrock vun der Vakuumkammer ass manner wéi 1,3 × 10⁻² Pa. D'Aarbechtsgas kann SF₆, Cl₂, N₂, Loft, H₂S, H₂, SiH₄, etc. sinn, mat engem Aarbechtsdrock vu 6,7 × 10⁴ Pa. Alternativ kann eng Vakuumëmfeld benotzt ginn, oder elementar Pulver aus S, Se oder Te kënnen am Vakuum op d'Siliziumuewerfläch beschichtet ginn. D'Ziltisch kann och a Waasser getippt ginn. Femtosekonnenimpulse (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz), déi vun engem Ti:Saphir-Laserregenerativverstärker generéiert ginn, gi vun enger Lëns fokusséiert a senkrecht op d'Siliziumuewerfläch bestraalt (d'Laserausgangsenergie gëtt vun engem Dämpfer kontrolléiert, deen aus enger Hallefwelleplack an engem Polarisator besteet). Duerch d'Beweegung vun der Zilstuff fir d'Siliziumuewerfläch mam Laserfleck ze scannen, kann e groussflächegt schwaarzt Siliziummaterial kritt ginn. D'Ännere vun der Distanz tëscht der Lëns an dem Siliziumwafer kann d'Gréisst vum Liichtfleck, deen op der Siliziumuewerfläch bestraalt gëtt, upassen, wouduerch d'Laserfluenz geännert gëtt; wann d'Fleckgréisst konstant ass, kann d'Ännere vun der Bewegungsgeschwindegkeet vun der Zilstuff d'Zuel vun den Impulse, déi op enger Flächeneenheet vun der Siliziumuewerfläch bestraalt ginn, upassen. Den Aarbechtsgas beaflosst d'Form vun der Mikrostruktur vun der Siliziumuewerfläch däitlech. Wann den Aarbechtsgas konstant ass, kann d'Ännere vun der Laserfluenz an der Zuel vun den Impulse pro Flächeneenheet d'Héicht, d'Aspektverhältnis an den Ofstand vun de Mikrostrukture kontrolléieren.
1.2 Mikroskopesch Charakteristiken
No der Femtosekonnen-Laserbestrahlung weist déi ursprénglech glat kristallin Siliziumuewerfläch eng Rei vu quasi-reegelméisseg arrangéierte klenge konesche Strukturen op. D'Kegelspëtze leien op der selwechter Fläch wéi déi ëmleiend onbestraalt Siliziumuewerfläch. D'Form vun der konescher Struktur hänkt mam Aarbechtsgas zesummen, wéi an der Figur 2 gewisen, wou déi konesch Strukturen, déi an (a), (b) an (c) gewisen sinn, an SF₆-, S- an N₂-Atmosphäre geformt ginn. D'Richtung vun de Kegelspëtze ass awer onofhängeg vum Gas a weist ëmmer an d'Richtung vum Laserinfall, net vun der Schwéierkraaft beaflosst, an och onofhängeg vum Dotierungstyp, dem Widderstand an der Kristallorientéierung vum kristalline Silizium; d'Kegelbasen sinn asymmetresch, mat hirer kuerzer Achs parallel zur Laserpolarisatiounsrichtung. Déi konesch Strukturen, déi an der Loft geformt ginn, sinn am rauhsten, an hir Uewerfläche si mat nach méi feine dendriteschen Nanostrukture vun 10–100 nm bedeckt.
Wat méi héich d'Laserfluenz an dest méi grouss d'Zuel vun den Impulser ass, wat méi héich a méi breet déi konesch Strukturen ginn. Am SF6-Gas hunn d'Héicht h an den Ofstand d vun de konesche Strukturen eng netlinear Bezéiung, déi ongeféier als h∝dp ausgedréckt ka ginn, wou p=2,4±0,1; souwuel d'Héicht h wéi och den Ofstand d huelen däitlech zou mat zouhuelender Laserfluenz. Wann d'Fluenz vu 5 kJ/m² op 10 kJ/m² eropgeet, klëmmt den Ofstand d ëm den 3-fache, a kombinéiert mat der Bezéiung tëscht h an d klëmmt d'Héicht h ëm den 12-fache.
Nom Héichtemperaturglühen (1200 K, 3 Stonnen) am Vakuum goufen déi konesch Strukturen vunschwaarzt Siliziumhuet sech net wesentlech geännert, awer déi dendritesch Nanostrukturen vun 10–100 nm op der Uewerfläch goufen däitlech reduzéiert. D'Ionenkanaliséierungsspektroskopie huet gewisen, datt d'Onuerdnung op der konischer Uewerfläch nom Glühen ofgeholl huet, awer déi meescht vun den onuerdnten Strukturen hunn sech ënner dëse Glühbedingungen net geännert.
1.3 Bildungsmechanismus
Aktuell ass de Bildungsmechanismus vu schwaarzem Silizium net kloer. Den Eric Mazur et al. hunn awer spekuléiert, baséiert op der Ännerung vun der Form vun der Siliziumoberflächenmikrostruktur mat der Aarbechtsatmosphär, datt et ënner der Stimulatioun vun héichintensiven Femtosekonnenlaseren eng chemesch Reaktioun tëscht dem Gas an der kristalliner Siliziumoberfläche gëtt, wouduerch d'Siliziumoberfläche duerch bestëmmte Gase geätzt ka ginn a schaarf Kegelen entstinn. Den Eric Mazur et al. hunn déi physikalesch a chemesch Mechanismen vun der Bildung vun der Siliziumoberflächenmikrostruktur op folgendes zougeschriwwen: Schmëlzen an Ablatioun vum Siliziumsubstrat, verursaacht duerch Héichfluenzlaserimpulser; Ätzen vum Siliziumsubstrat duerch reaktiv Ionen a Partikelen, déi vum staarke Laserfeld generéiert ginn; a Rekristalliséierung vum abléierten Deel vum Siliziumsubstrat.
Déi konesch Strukturen op der Siliziumuewerfläch gi spontan geformt, an e quasi-reegelméissegen Array kann ouni Mask geformt ginn. MY Shen et al. hunn e 2 μm déckt Transmissiounselektronemikroskop-Kupfernetz als Mask op d'Siliziumuewerfläch befestegt an duerno de Siliziumwafer mat SF6-Gas mat engem Femtosekonnenlaser bestraalt. Si hunn e ganz reegelméisseg arrangéiert Array vu konesche Strukturen op der Siliziumuewerfläch kritt, wat mam Maskenmuster iwwereneestëmmt (kuckt Figur 4). D'Aperturgréisst vun der Mask beaflosst d'Arrangement vun de konesche Strukturen däitlech. D'Diffraktioun vum afalen Laser duerch d'Maskenöffnungen verursaacht eng net gläichméisseg Verdeelung vun der Laserenergie op der Siliziumuewerfläch, wat zu enger periodescher Temperaturverdeelung op der Siliziumuewerfläch féiert. Dëst forcéiert schlussendlech d'Siliziumuewerflächenstrukturarray, reegelméisseg ze ginn.