Революциялық жаңа материал – қара кремний
Қара кремний - тамаша оптоэлектрондық қасиеттері бар кремний материалының жаңа түрі. Бұл мақалада Эрик Мазур мен басқа да зерттеушілердің соңғы жылдары қара кремний бойынша жүргізген зерттеу жұмыстары қорытындыланып, қара кремнийдің алынуы мен түзілу механизмі, сондай-ақ оның сіңірілуі, люминесценциясы, өріс сәулеленуі және спектрлік жауап сияқты қасиеттері егжей-тегжейлі сипатталған. Сондай-ақ, қара кремнийдің инфрақызыл детекторларда, күн батареяларында және жалпақ панельді дисплейлерде маңызды қолданылу мүмкіндіктері көрсетілген.
Кристалдық кремний тазартудың қарапайымдылығы, легирлеудің қарапайымдылығы және жоғары температураға төзімділік сияқты артықшылықтарына байланысты жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде кеңінен қолданылады. Дегенмен, оның көптеген кемшіліктері де бар, мысалы, көрінетін және инфрақызыл жарықтың бетіндегі жоғары шағылыстыруы. Сонымен қатар, үлкен тыйым салынған аймаққа байланысты,кристалды кремнийтолқын ұзындығы 1100 нм-нен асатын жарықты сіңіре алмайды. Түсетін жарықтың толқын ұзындығы 1100 нм-нен асқан кезде, кремний детекторларының жұтылу және жауап беру жылдамдығы айтарлықтай төмендейді. Бұл толқын ұзындықтарын анықтау үшін германий және индий галлий арсениді сияқты басқа материалдарды пайдалану қажет. Дегенмен, жоғары құны, термодинамикалық қасиеттері мен кристалл сапасының нашарлығы, сондай-ақ қолданыстағы жетілген кремний процестерімен үйлесімсіздігі оларды кремний негізіндегі құрылғыларда қолдануды шектейді. Сондықтан, кристалды кремний беттерінің шағылысуын азайту және кремний негізіндегі және кремниймен үйлесімді фотодетекторлардың анықтау толқын ұзындығы диапазонын кеңейту өзекті зерттеу тақырыбы болып қала береді.
Кристалдық кремний беттерінің шағылысуын азайту үшін фотолитография, реактивті иондық ою және электрохимиялық ою сияқты көптеген тәжірибелік әдістер мен әдістер қолданылды. Бұл әдістер белгілі бір дәрежеде кристалдық кремнийдің беткі және бетке жақын морфологиясын өзгерте алады, осылайша...кремний беттік шағылысу. Көрінетін жарық диапазонында шағылысты азайту сіңіруді арттырып, құрылғының тиімділігін арттыра алады. Дегенмен, 1100 нм-нен асатын толқын ұзындықтарында, егер кремнийдің жолақ саңылауына жұтылу энергиясы деңгейлері енгізілмесе, шағылудың төмендеуі тек өткізгіштіктің жоғарылауына әкеледі, себебі кремнийдің жолақ саңылауы сайып келгенде оның ұзын толқынды жарықты сіңіруін шектейді. Сондықтан, кремний негізіндегі және кремниймен үйлесімді құрылғылардың сезімтал толқын ұзындығы диапазонын кеңейту үшін кремний беттік шағылысуын бір уақытта азайта отырып, жолақ саңылауы ішіндегі фотонның жұтылуын арттыру қажет.
1990 жылдардың соңында Гарвард университетінің профессоры Эрик Мазур және басқалар фемтосекундтық лазерлердің затпен әрекеттесуін зерттеу барысында жаңа материал - қара кремний алды, бұл 1-суретте көрсетілгендей. Қара кремнийдің фотоэлектрлік қасиеттерін зерттей отырып, Эрик Мазур және оның әріптестері бұл микроқұрылымды кремний материалының бірегей фотоэлектрлік қасиеттерге ие екенін анықтап, таң қалды. Ол ультракүлгін және инфрақызыл диапазондағы (0,25-2,5 мкм) барлық дерлік жарықты сіңіреді, керемет көрінетін және инфрақызыл люминесценция сипаттамаларын және жақсы өріс сәулелену қасиеттерін көрсетеді. Бұл жаңалық жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде үлкен сенсация тудырды, ірі журналдар бұл туралы хабарлауға тырысты. 1999 жылы Scientific American және Discover журналдары, 2000 жылы Los Angeles Times ғылыми бөлімі және 2001 жылы New Scientist журналы қара кремнийдің ашылуы және оның әлеуетті қолданылуы туралы мақалалар жариялады, оның қашықтықтан зондтау, оптикалық байланыс және микроэлектроника сияқты салаларда айтарлықтай әлеуетті құндылығы бар деп санады.
Қазіргі уақытта Франциядан келген Т. Самет, Ирландиядан келген Анойф М. Молони, Қытайдағы Фудань университетінен келген Чжао Ли және Қытай ғылым академиясынан келген Мен Хайнинг қара кремний бойынша кең ауқымды зерттеулер жүргізіп, алдын ала нәтижелерге қол жеткізді. АҚШ-тың Массачусетс штатындағы SiOnyx компаниясы басқа компаниялар үшін технологиялық әзірлеу платформасы ретінде қызмет ету үшін 11 миллион доллар венчурлық капитал жинады және дайын өнімдерді келесі буын инфрақызыл бейнелеу жүйелерінде пайдалануға дайындалып, сенсорлық негіздегі қара кремний пластиналарын коммерциялық өндіруді бастады. SiOnyx компаниясының бас директоры Стивен Сэйлор қара кремний технологиясының төмен құны мен жоғары сезімталдық артықшылықтары зерттеу және медициналық бейнелеу нарықтарына бағытталған компаниялардың назарын аударатынын мәлімдеді. Болашақта ол тіпті миллиардтаған долларлық сандық камералар мен бейнекамера нарығына шығуы мүмкін. SiOnyx қазіргі уақытта қара кремнийдің фотоэлектрлік қасиеттерімен тәжірибе жүргізуде және бұл өте ықтимал...қара кремнийболашақта күн батареяларында қолданылатын болады. 1. Қара кремнийдің түзілу процесі
1.1 Дайындау процесі
Монокристалды кремний пластиналары трихлорэтиленмен, ацетонмен және метанолмен тізбектей тазартылады, содан кейін вакуумдық камерадағы үш өлшемді қозғалмалы нысана сатысына орналастырылады. Вакуумдық камераның негізгі қысымы 1,3 × 10⁻² Па-дан аз. Жұмыс газы SF₆, Cl₂, N₂, ауа, H₂S, H₂, SiH₄ және т.б. болуы мүмкін, жұмыс қысымы 6,7 × 10⁴ Па. Балама ретінде вакуумдық ортаны пайдалануға немесе вакуумда кремний бетіне S, Se немесе Te элементтік ұнтақтарын жағуға болады. Нысаналы сатыны суға да батыруға болады. Ti:сапфир лазерлік регенеративті күшейткішімен жасалған фемтосекундтық импульстар (800 нм, 100 фс, 500 мкДж, 1 кГц) линзамен фокусталады және кремний бетіне перпендикуляр сәулеленеді (лазердің шығыс энергиясы жартылай толқынды пластинадан және поляризатордан тұратын аттенюатормен басқарылады). Максатты сатыны лазерлік дақпен кремний бетін сканерлеу үшін жылжыту арқылы үлкен аумақты қара кремний материалын алуға болады. Линза мен кремний пластинасы арасындағы қашықтықты өзгерту кремний бетіне сәулелендірілген жарық дақының өлшемін реттей алады, осылайша лазерлік флюенсті өзгертеді; дақ өлшемі тұрақты болған кезде, мақсатты сатының қозғалу жылдамдығын өзгерту кремний бетінің бірлік ауданына сәулелендірілген импульстар санын реттей алады. Жұмыс газы кремний бетінің микроқұрылымының пішініне айтарлықтай әсер етеді. Жұмыс газы тұрақты болған кезде, лазерлік флюенсті және бірлік ауданға қабылданған импульстар санын өзгерту микроқұрылымдардың биіктігін, арақатынасын және арақашықтығын басқара алады.
1.2 Микроскопиялық сипаттамалары
Фемтосекундтық лазерлік сәулеленуден кейін бастапқыда тегіс кристалды кремний беті квази-ретімен орналасқан ұсақ конустық құрылымдардың массивін көрсетеді. Конус шыңдары айналасындағы сәулеленбеген кремний бетімен бір жазықтықта орналасқан. Конустық құрылымның пішіні жұмыс газымен байланысты, 2-суретте көрсетілгендей, мұнда (a), (b) және (c) тармақтарында көрсетілген конустық құрылымдар сәйкесінше SF₆, S және N₂ атмосфераларында түзіледі. Дегенмен, конус шыңдарының бағыты газға тәуелсіз және әрқашан лазердің түсу бағытына бағытталған, гравитацияға әсер етпейді, сондай-ақ кристалды кремнийдің легирлеу түріне, кедергісіне және кристалдық бағдарына тәуелсіз; конус негіздері асимметриялық, олардың қысқа осі лазердің поляризация бағытына параллель. Ауада түзілген конустық құрылымдар ең кедір-бұдыр болып табылады және олардың беттері 10-100 нм одан да жұқа дендритті наноқұрылымдармен жабылған.
Лазерлік флюенс неғұрлым жоғары және импульстар саны неғұрлым көп болса, конустық құрылымдар соғұрлым биік және кең болады. SF6 газында конустық құрылымдардың h биіктігі мен d арақашықтығы сызықтық емес қатынасқа ие, оны шамамен h∝dp түрінде көрсетуге болады, мұндағы p=2,4±0,1; h биіктігі де, d арақашықтығы да лазерлік флюенстің артуымен айтарлықтай артады. Флюенс 5 кДж/м²-ден 10 кДж/м²-ге дейін артқанда, d арақашықтығы 3 есеге артады, ал h мен d арасындағы қатынаспен біріктірілгенде, h биіктігі 12 есеге артады.
Вакуумда жоғары температурада (1200 К, 3 сағат) күйдіруден кейін, конус тәрізді құрылымдарқара кремнийайтарлықтай өзгерген жоқ, бірақ бетіндегі 10–100 нм дендриттік наноқұрылымдар айтарлықтай азайды. Иондық арналық спектроскопия конус тәрізді бетіндегі бұзылыстың күйдіруден кейін азайғанын көрсетті, бірақ бұзылған құрылымдардың көпшілігі бұл күйдіру жағдайларында өзгерген жоқ.
1.3 Қалыптасу механизмі
Қазіргі уақытта қара кремнийдің пайда болу механизмі анық емес. Дегенмен, Эрик Мазур және т.б. жұмыс атмосферасымен кремний бетінің микроқұрылымының пішінінің өзгеруіне сүйене отырып, жоғары қарқынды фемтосекундтық лазерлерді ынталандыру кезінде газ бен кристалды кремний беті арасында химиялық реакция жүріп, кремний бетінің белгілі бір газдармен өңделіп, өткір конустар пайда болатынын болжады. Эрик Мазур және т.б. кремний бетінің микроқұрылымының пайда болуының физикалық және химиялық механизмдерін мыналарға жатқызды: жоғары ағынды лазер импульстарынан туындаған кремний негізінің балқуы және абляциясы; күшті лазер өрісі тудырған реактивті иондар мен бөлшектермен кремний негізінің өңделуі; және субстрат кремнийінің абляцияланған бөлігінің қайта кристалдануы.
Кремний бетіндегі конустық құрылымдар өздігінен пайда болады, ал маскасыз квази-тұрақты массив қалыптастыруға болады. МЫ Шен және т.б. кремний бетіне маска ретінде 2 мкм қалыңдықтағы трансмиссиялық электронды микроскоп мыс торын бекітті, содан кейін кремний пластинасын SF6 газында фемтосекундтық лазермен сәулелендірді. Олар кремний бетінде маска үлгісіне сәйкес келетін өте тұрақты орналасқан конустық құрылымдар массивін алды (4-суретті қараңыз). Масканың тесік өлшемі конустық құрылымдардың орналасуына айтарлықтай әсер етеді. Түсетін лазердің маска тесіктерімен дифракциясы кремний бетінде лазер энергиясының біркелкі емес таралуын тудырады, бұл кремний бетінде периодты температураның таралуына әкеледі. Бұл сайып келгенде кремний бетінің құрылым массивінің тұрақты болуына мәжбүр етеді.