አብዮታዊ አዲስ ቁሳቁስ - ጥቁር ሲሊከን

አብዮታዊ አዲስ ቁሳቁስ - ጥቁር ሲሊከን

ጥቁር ሲሊከን እጅግ በጣም ጥሩ የኦፕቶኤሌክትሮኒክ ባህሪያት ያሉት አዲስ የሲሊኮን ቁሳቁስ አይነት ነው። ይህ ጽሑፍ በቅርብ ዓመታት ውስጥ በኤሪክ ማዙር እና በሌሎች ተመራማሪዎች በጥቁር ሲሊከን ላይ የተደረገውን የምርምር ስራ ያጠቃልላል፣ የጥቁር ሲሊከን ዝግጅት እና የመፍጠር ዘዴን እንዲሁም እንደ መምጠጥ፣ ብርሃን፣ የመስክ ልቀት እና የስፔክትራል ምላሽ ያሉ ባህሪያትን በዝርዝር ያቀርባል። እንዲሁም ጥቁር ሲሊከን በኢንፍራሬድ መመርመሪያዎች፣ በፀሐይ ሴሎች እና በጠፍጣፋ ፓነል ማሳያዎች ውስጥ ያሉትን ጠቃሚ ሊሆኑ የሚችሉ አተገባበሮችን ይጠቁማል።
ክሪስታላይን ሲሊከን በሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ውስጥ እንደ ማጽዳት ቀላልነት፣ የዶፒንግ ቀላልነት እና ከፍተኛ የሙቀት መጠን መቋቋም ባሉ ጥቅሞች ምክንያት በስፋት ጥቅም ላይ ይውላል። ሆኖም ግን፣ እንደ በገጹ ላይ የሚታይ እና የኢንፍራሬድ ብርሃን ከፍተኛ አንጸባራቂነት ያሉ ብዙ ጉዳቶችም አሉት። በተጨማሪም፣ በትልቅ የባንድ ክፍተት ምክንያት፣ክሪስታሊን ሲሊከንከ1100 nm በላይ የሞገድ ርዝመት ያለው ብርሃንን መምጠጥ አይችልም። የአደጋ ብርሃን የሞገድ ርዝመት ከ1100 nm በላይ ሲሆን የሲሊኮን መመርመሪያዎች የመምጠጥ እና የምላሽ መጠን በእጅጉ ይቀንሳል። እነዚህን የሞገድ ርዝመት ለመለየት እንደ ጀርማኒየም እና ኢንዲየም ጋሊየም አርሴናይድ ያሉ ሌሎች ቁሳቁሶች ጥቅም ላይ መዋል አለባቸው። ሆኖም፣ ከፍተኛ ወጪ፣ ደካማ የቴርሞዳይናሚክ ባህሪያት እና የክሪስታል ጥራት እና ከነባር የጎለመሱ የሲሊኮን ሂደቶች ጋር አለመጣጣም በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ መሳሪያዎች ላይ አተገባበራቸውን ይገድባሉ። ስለዚህ፣ የክሪስታል ሲሊከን ገጽታዎችን ነጸብራቅ መቀነስ እና የሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ እና ከሲሊኮን ጋር ተኳሃኝ የሆኑ የፎቶ መመርመሪያዎችን የመለየት የሞገድ ርዝመት ክልል ማራዘም ትኩስ የምርምር ርዕስ ሆኖ ቀጥሏል።

የክሪስታሊን ሲሊከን ገጽታዎችን ነጸብራቅ ለመቀነስ፣ እንደ ፎቶሊቶግራፊ፣ ሪአክቲቭ አዮን ኢቺንግ እና ኤሌክትሮኬሚካል ኢቺንግ ያሉ ብዙ የሙከራ ዘዴዎች እና ቴክኒኮች ጥቅም ላይ ውለዋል። እነዚህ ዘዴዎች በተወሰነ ደረጃ የክሪስታሊን ሲሊከንን ወለል እና ቅርብ ገጽታ ሞርፎሎጂ ሊለውጡ ይችላሉ፣ በዚህም ምክንያት ይቀንሳልሲሊከን የገጽታ ነጸብራቅ። በሚታየው የብርሃን ክልል ውስጥ፣ ነጸብራቅን መቀነስ መምጠጥን ሊጨምር እና የመሳሪያውን ቅልጥፍና ሊያሻሽል ይችላል። ሆኖም፣ ከ1100 nm በላይ በሆኑ የሞገድ ርዝመቶች፣ የመምጠጥ ኃይል ደረጃዎች ወደ ሲሊከን ባንድ ክፍተት ካልተገቡ፣ የተቀነሰ ነጸብራቅ ወደ ትራንስሚሽን መጨመር ብቻ ይመራል፣ ምክንያቱም የሲሊከን ባንድ ክፍተት በመጨረሻ የረጅም ሞገድ ርዝመት ብርሃንን መምጠጥ ይገድባል። ስለዚህ፣ በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ እና በሲሊከን ተኳሃኝ የሆኑ መሳሪያዎችን ስሜታዊ የሞገድ ርዝመት ክልል ለማራዘም፣ በባንድ ክፍተት ውስጥ የፎቶን መምጠጥን መጨመር እና በተመሳሳይ ጊዜ የሲሊኮን ወለል ነጸብራቅን መቀነስ ያስፈልጋል።

በ1990ዎቹ መጨረሻ ላይ፣ ፕሮፌሰር ኤሪክ ማዙር እና በሃርቫርድ ዩኒቨርሲቲ የሚገኙ ሌሎች ሰዎች በምስል 1 ላይ እንደሚታየው የፌምቶሴኮንድ ሌዘሮች ከቁስ ጋር ስለሚኖራቸው መስተጋብር ባደረጉት ጥናት ወቅት አዲስ ቁሳቁስ - ጥቁር ሲሊኮን - አግኝተዋል። የጥቁር ሲሊከንን የፎቶኤሌክትሪክ ባህሪያት ሲያጠኑ፣ ኤሪክ ማዙር እና ባልደረቦቻቸው ይህ ማይክሮስትራክቸር ሲሊከን ቁሳቁስ ልዩ የፎቶኤሌክትሪክ ባህሪያት እንዳለው ሲያውቁ ተገርመዋል። በአልትራቫዮሌት አቅራቢያ እና በኢንፍራሬድ አቅራቢያ (0.25-2.5 μm) ውስጥ ያለውን ብርሃን በሙሉ ማለት ይቻላል ይቀበላል፣ ይህም እጅግ በጣም ጥሩ የሚታዩ እና ቅርብ-ኢንፍራሬድ የብርሃን ባህሪያትን እና ጥሩ የመስክ ልቀት ባህሪያትን ያሳያል። ይህ ግኝት በሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ውስጥ ስሜት ፈጥሯል፣ ዋና ዋና መጽሔቶች ስለሱ ሪፖርት ለማድረግ ይፎካከራሉ። በ1999፣ ሳይንቲፊክ አሜሪካን እና ዲስከቨር መጽሔቶች፣ በ2000 የሎስ አንጀለስ ታይምስ የሳይንስ ክፍል፣ እና በ2001 የኒው ሳይንቲስት መጽሔት ሁሉም ስለ ጥቁር ሲሊከን ግኝት እና እምቅ አፕሊኬሽኖቹ የሚወያዩ የባህሪ መጣጥፎችን አሳትመዋል፣ እንደ የርቀት ዳሰሳ፣ የኦፕቲካል ኮሙኒኬሽን እና ማይክሮኤሌክትሮኒክስ ባሉ መስኮች ላይ ጉልህ የሆነ እምቅ እሴት እንዳለው በማመን።

በአሁኑ ጊዜ ከፈረንሳይ የመጣው ቲ. ሳሜት፣ ከአየርላንድ የመጣው አኖይፌ ኤም. ሞሎኒ፣ ከቻይና የሚገኘው ፉዳን ዩኒቨርሲቲ የመጣው ዣኦ ሊ እና ከቻይና የሳይንስ አካዳሚ የመጣው መን ሃይኒንግ በጥቁር ሲሊኮን ላይ ሰፊ ጥናት አካሂደው የመጀመሪያ ደረጃ ውጤቶችን አስመዝግበዋል። በማሳቹሴትስ፣ ዩኤስኤ የሚገኘው ሲኦኒክስ ኩባንያ ለሌሎች ኩባንያዎች የቴክኖሎጂ ልማት መድረክ ሆኖ ለማገልገል 11 ሚሊዮን ዶላር የቬንቸር ካፒታል ሰብስቧል፣ እና በሴንሰር ላይ የተመሰረቱ ጥቁር ሲሊከን ዋፈርዎችን የንግድ ማምረት ጀምሯል፣ ይህም የተጠናቀቁ ምርቶችን በሚቀጥለው ትውልድ የኢንፍራሬድ ኢሜጂንግ ሲስተሞች ውስጥ ለመጠቀም እየተዘጋጀ ነው። የሲኦኒክስ ዋና ሥራ አስፈፃሚ እስጢፋኖስ ሴይለር እንዳሉት የጥቁር ሲሊከን ቴክኖሎጂ ዝቅተኛ ዋጋ እና ከፍተኛ ስሜታዊነት ጥቅሞች በምርምር እና በሕክምና ኢሜጂንግ ገበያዎች ላይ ያተኮሩ ኩባንያዎችን ትኩረት ይስባል። ወደፊት ወደ ብዙ ቢሊዮን ዶላር የሚጠጋ ዲጂታል ካሜራ እና ካሜራ ካሜራ ገበያ ሊገባ ይችላል። ሲኦኒክስም በአሁኑ ጊዜ በጥቁር ሲሊከን የፎቶቮልታይክ ባህሪያት ላይ ሙከራ እያደረገ ነው፣ እና የመሆን እድሉ ከፍተኛ ነው።ጥቁር ሲሊከንወደፊት በፀሐይ ሴሎች ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላል። 1. የጥቁር ሲሊከን ምስረታ ሂደት

1.1 የዝግጅት ሂደት

ነጠላ-ክሪስታል የሲሊኮን ዋፈርዎች በትሪክሎሮኢቲሊን፣ አሴቶን እና ሜታኖል በቅደም ተከተል ይጸዳሉ፣ ከዚያም በቫክዩም ክፍል ውስጥ ባለ ሶስት አቅጣጫዊ ተንቀሳቃሽ የዒላማ ደረጃ ላይ ይቀመጣሉ። የቫክዩም ክፍሉ መሰረታዊ ግፊት ከ1.3 × 10⁻² Pa ያነሰ ነው። የሚሰራው ጋዝ SF₆፣ Cl₂፣ N₂፣ አየር፣ H₂S፣ H₂፣ SiH₄፣ ወዘተ ሊሆን ይችላል፣ የስራ ግፊት 6.7 × 10⁴ Pa ሊሆን ይችላል። በአማራጭ፣ የቫክዩም አካባቢ ጥቅም ላይ ሊውል ይችላል፣ ወይም የS፣ Se ወይም Te ንጥረ ነገሮች በቫክዩም ውስጥ በሲሊኮን ወለል ላይ ሊሸፈኑ ይችላሉ። የታለመው ደረጃ በውሃ ውስጥ ሊጠመቅ ይችላል። በ Ti:saphire laser regenerative amplifier የሚመነጩት የፌምቶሴኮንድ pulses (800 nm፣ 100 fs፣ 500 μJ፣ 1 kHz) በሌንስ ያተኩራሉ እና ቀጥ ብለው ወደ ሲሊኮን ወለል ይጋለጣሉ (የሌዘር ውፅዓት ኃይል የሚቆጣጠረው በግማሽ ሞገድ ሳህን እና ፖላራይዘር ባካተተ አቴንዩተር ነው)። የሲሊኮንን ወለል በሌዘር ቦታ ለመቃኘት የታለመውን ደረጃ በማንቀሳቀስ፣ ትልቅ ቦታ ያለው ጥቁር የሲሊኮን ቁሳቁስ ማግኘት ይቻላል። በሌንስ እና በሲሊኮን ዋፈር መካከል ያለውን ርቀት መቀየር በሲሊኮን ወለል ላይ የተጋለጠውን የብርሃን ቦታ መጠን ማስተካከል ይችላል፣ በዚህም የሌዘር ፍሉዌንሲውን መለወጥ ይችላል፤ የቦታው መጠን ቋሚ ሲሆን፣ የዒላማውን ደረጃ የሚንቀሳቀስ ፍጥነት መቀየር በሲሊኮን ወለል ክፍል አካባቢ ላይ የተጋለጡትን የpulses ብዛት ማስተካከል ይችላል። የሚሰራው ጋዝ የሲሊኮን ወለል ማይክሮስትራክቸር ቅርፅን በእጅጉ ይነካል። የሚሰራው ጋዝ ቋሚ ሲሆን፣ የሌዘር ፍሉዌንሲ እና በአንድ ክፍል አካባቢ የተቀበሉትን የpulses ብዛት መቀየር የማይክሮስትራክቸሮችን ቁመት፣ የገጽታ ጥምርታ እና ክፍተት መቆጣጠር ይችላል።

1.2 ማይክሮስኮፒክ ባህሪያት

ከፌምቶሴኮንድ ሌዘር ጨረር በኋላ፣ መጀመሪያ ላይ ለስላሳ የሆነው የክሪስታሊን ሲሊከን ወለል በኳሲ-መደበኛ የተደረደሩ ትናንሽ ሾጣጣ መዋቅሮችን ያሳያል። የኮን ቶፖች ከዙሪያው ያልተስተካከለው የሲሊከን ወለል ጋር በተመሳሳይ ደረጃ ላይ ይገኛሉ። የኮን ዎርክሾፑ ቅርፅ ከስራ ጋዝ ጋር የተያያዘ ነው፣ በምስል 2 ላይ እንደሚታየው፣ በ(a)፣ (b) እና (c) ውስጥ የሚታዩት ሾጣጣ መዋቅሮች በቅደም ተከተል በSF₆፣ S እና N₂ ከባቢ አየር ውስጥ የተፈጠሩ ናቸው። ሆኖም፣ የኮን ቶፖች አቅጣጫ ከጋዙ ነፃ ሲሆን ሁልጊዜም በሌዘር ክስተት አቅጣጫ ላይ ያተኩራል፣ በስበት ኃይል አይጎዳም፣ እንዲሁም ከክሪስታሊን ሲሊከን ዶፒንግ አይነት፣ ተቃውሞ እና ክሪስታል አቅጣጫ ነፃ ነው፤ የኮን መሠረቶቹ ያልተመጣጠነ ናቸው፣ አጭር ዘንግ ከሌዘር ፖላራይዜሽን አቅጣጫ ጋር ትይዩ ናቸው። በአየር ውስጥ የተፈጠሩት ሾጣጣ መዋቅሮች በጣም ሻካራ ናቸው፣ እና ቦታዎቻቸው ከ10-100 nm በሚሆኑ ይበልጥ ቀጭን ዴንድሪቲክ ናኖስትራክቸሮች ተሸፍነዋል።

የሌዘር ፍሉዌንሲ ከፍ ባለ መጠን እና የፐልስ ብዛት በጨመረ ቁጥር፣ ረጃጅም እና ሰፋ ያሉ የኮንካል መዋቅሮች ይሆናሉ። በSF6 ጋዝ ውስጥ፣ የሾጣጣ መዋቅሮች ቁመት h እና ክፍተት d መስመራዊ ያልሆነ ግንኙነት አላቸው፣ ይህም በግምት h∝dp ተብሎ ሊገለጽ ይችላል፣ p=2.4±0.1፤ ሁለቱም ቁመት h እና ክፍተት d የሌዘር ፍሉዌንሲ እየጨመረ ሲሄድ በከፍተኛ ሁኔታ ይጨምራሉ። ፍሉዌንሲው ከ5 kJ/m² ወደ 10 kJ/m² ሲጨምር፣ ክፍተት d በ3 እጥፍ ይጨምራል፣ እና በh እና d መካከል ካለው ግንኙነት ጋር ሲጣመር፣ ቁመት h በ12 እጥፍ ይጨምራል።

ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያለው ማጥመጃ (1200 ኪ.ሜ፣ 3 ሰዓት) በቫክዩም ውስጥ ከተደረገ በኋላ፣ የሾጣጣ መዋቅሮችጥቁር ሲሊከንጉልህ በሆነ መልኩ አልተለወጠም፣ ነገር ግን በላዩ ላይ ያሉት ከ10-100 nm የዴንድሪቲክ ናኖስትራክቸሮች በእጅጉ ቀንሰዋል። የአዮን ቻናሊንግ ስፔክትሮስኮፒ እንደሚያሳየው በሾጣጣው ወለል ላይ ያለው ችግር ከማደንዘዣ በኋላ ቀንሷል፣ ነገር ግን አብዛኛዎቹ የተዛቡ መዋቅሮች በእነዚህ የማቅለጫ ሁኔታዎች ውስጥ አልተለወጡም።

1.3 የምስረታ ዘዴ

በአሁኑ ጊዜ የጥቁር ሲሊከን የመፍጠር ዘዴ ግልጽ አይደለም። ሆኖም ግን፣ ኤሪክ ማዙር እና ሌሎችም ከስራ ከባቢ አየር ጋር ባለው የሲሊከን ወለል ማይክሮ መዋቅር ቅርፅ ለውጥ ላይ በመመስረት፣ ከፍተኛ ኃይለኛ የፌምቶሴኮንድ ሌዘሮች በማነቃቂያ ስር፣ በጋዝ እና በክሪስታል ሲሊከን ወለል መካከል የኬሚካል ምላሽ እንደሚኖር ገምተዋል፣ ይህም የሲሊኮን ወለል በተወሰኑ ጋዞች እንዲቀረጽ በማድረግ ስለታም ኮኖች እንዲፈጠሩ ያስችላል። ኤሪክ ማዙር እና ሌሎችም የሲሊኮን ወለል ማይክሮ መዋቅር ምስረታ አካላዊ እና ኬሚካላዊ ዘዴዎችን እንደሚከተለው አስቀምጠዋል፡- በከፍተኛ ተጽዕኖ ባላቸው የሌዘር ምቶች ምክንያት የሲሊኮን ንጣፍ መቅለጥ እና ማስወገድ፤ በጠንካራው የሌዘር መስክ በሚመነጩት ምላሽ ሰጪ አዮኖች እና ቅንጣቶች የሲሊኮን ንጣፍ መቅዳት፤ እና የንዑስ ሲሊከን የተወገደ ክፍል እንደገና መቆም።

በሲሊኮን ወለል ላይ ያሉት ሾጣጣ መዋቅሮች በድንገት የተፈጠሩ ሲሆን ያለ ጭምብል አንድ ኩዊ-መደበኛ ድርድር ሊፈጠር ይችላል። ማይ ሼን እና ሌሎችም 2 μm ውፍረት ያለው የትራንስሚሽን ኤሌክትሮን ማይክሮስኮፕ የመዳብ መረብን ከሲሊኮን ወለል ጋር እንደ ጭንብል አያይዘዋል፣ ከዚያም በ SF6 ጋዝ ውስጥ ያለውን የሲሊኮን ዋፈር በፌምቶሴኮንድ ሌዘር አብርተዋል። ከጭምብሉ ንድፍ ጋር የሚጣጣም በጣም በተደጋጋሚ የተደረደሩ የኮኒካል መዋቅሮችን በሲሊኮን ወለል ላይ አግኝተዋል (ምስል 4 ይመልከቱ)። የጭምብሉ ቀዳዳ መጠን የኮኒካል መዋቅሮችን አቀማመጥ በእጅጉ ይነካል። የጭምብሉ ቀዳዳዎቹ የተከሰተበት ሌዘር ልዩነት በሲሊኮን ወለል ላይ ወጥ ያልሆነ የሌዘር ኃይል ስርጭት ያስከትላል፣ ይህም በሲሊኮን ወለል ላይ ወቅታዊ የሙቀት ስርጭት ያስከትላል። ይህ በመጨረሻ የሲሊኮን ወለል መዋቅር ድርድር መደበኛ እንዲሆን ያስገድዳል።