วัสดุใหม่ที่ปฏิวัติวงการ – ซิลิคอนสีดำ

วัสดุใหม่ที่ปฏิวัติวงการ – ซิลิคอนสีดำ

ซิลิคอนสีดำเป็นวัสดุซิลิคอนชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยม บทความนี้สรุปงานวิจัยเกี่ยวกับซิลิคอนสีดำโดย Eric Mazur และนักวิจัยคนอื่นๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยให้รายละเอียดเกี่ยวกับการเตรียมและกลไกการก่อตัวของซิลิคอนสีดำ รวมถึงคุณสมบัติต่างๆ เช่น การดูดกลืนแสง การเรืองแสง การปล่อยสนามไฟฟ้า และการตอบสนองทางสเปกตรัม นอกจากนี้ยังชี้ให้เห็นถึงศักยภาพที่สำคัญของการประยุกต์ใช้ซิลิคอนสีดำในเครื่องตรวจจับอินฟราเรด เซลล์แสงอาทิตย์ และจอแสดงผลแบบแบน
ซิลิคอนผลึกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น การทำให้บริสุทธิ์ง่าย การเจือปนง่าย และทนต่ออุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม มันก็มีข้อเสียหลายประการเช่นกัน เช่น การสะท้อนแสงที่มองเห็นได้และแสงอินฟราเรดบนพื้นผิวสูง นอกจากนี้ เนื่องจากมีช่องว่างพลังงานขนาดใหญ่ซิลิคอนผลึกซิลิคอนไม่สามารถดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 1100 นาโนเมตรได้ เมื่อความยาวคลื่นของแสงตกกระทบมากกว่า 1100 นาโนเมตร อัตราการดูดซับและการตอบสนองของตัวตรวจจับซิลิคอนจะลดลงอย่างมาก จำเป็นต้องใช้วัสดุอื่น เช่น เจอร์มาเนียมและอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์เพื่อตรวจจับความยาวคลื่นเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนสูง คุณสมบัติทางเทอร์โมไดนามิกที่ไม่ดี คุณภาพของผลึกที่ไม่ดี และความไม่เข้ากันกับกระบวนการผลิตซิลิคอนที่มีอยู่ ทำให้การใช้งานในอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนมีข้อจำกัด ดังนั้น การลดการสะท้อนของพื้นผิวผลึกซิลิคอนและการขยายช่วงความยาวคลื่นในการตรวจจับของตัวตรวจจับแสงที่ใช้ซิลิคอนและเข้ากันได้กับซิลิคอนจึงยังคงเป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญ

เพื่อลดการสะท้อนแสงของพื้นผิวซิลิคอนผลึก มีการนำวิธีการและเทคนิคเชิงทดลองมากมายมาใช้ เช่น โฟโตลิโทกราฟี การกัดด้วยไอออนแบบรีแอคทีฟ และการกัดด้วยไฟฟ้าเคมี เทคนิคเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและบริเวณใกล้พื้นผิวของซิลิคอนผลึกได้ในระดับหนึ่ง จึงช่วยลดการสะท้อนแสงได้ซิลิคอน การสะท้อนแสงที่พื้นผิว ในช่วงแสงที่มองเห็นได้ การลดการสะท้อนสามารถเพิ่มการดูดซับและปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้ อย่างไรก็ตาม ที่ความยาวคลื่นเกิน 1100 นาโนเมตร หากไม่มีการนำระดับพลังงานการดูดซับเข้าไปในช่องว่างแถบพลังงานของซิลิคอน การลดการสะท้อนจะนำไปสู่การส่งผ่านที่เพิ่มขึ้นเท่านั้น เนื่องจากช่องว่างแถบพลังงานของซิลิคอนจำกัดการดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นยาว ดังนั้น เพื่อขยายช่วงความยาวคลื่นที่ไวต่อแสงของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนและอุปกรณ์ที่เข้ากันได้กับซิลิคอน จำเป็นต้องเพิ่มการดูดซับโฟตอนภายในช่องว่างแถบพลังงานพร้อมๆ กับการลดการสะท้อนที่พื้นผิวของซิลิคอน

ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ศาสตราจารย์เอริค มาซูร์และคณะที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้ค้นพบวัสดุใหม่ คือ ซิลิคอนสีดำ ในระหว่างการวิจัยเกี่ยวกับการปฏิสัมพันธ์ของเลเซอร์เฟมโตวินาทีกับสสาร ดังแสดงในรูปที่ 1 ขณะศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าแสงของซิลิคอนสีดำ เอริค มาซูร์และเพื่อนร่วมงานต่างประหลาดใจที่พบว่าวัสดุซิลิคอนที่มีโครงสร้างระดับจุลภาคนี้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าแสงที่เป็นเอกลักษณ์ มันดูดซับแสงเกือบทั้งหมดในช่วงใกล้อัลตราไวโอเลตและใกล้อินฟราเรด (0.25–2.5 ไมโครเมตร) แสดงคุณลักษณะการเรืองแสงที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรดที่ดีเยี่ยม และมีคุณสมบัติการปล่อยสนามไฟฟ้าที่ดี การค้นพบนี้สร้างความฮือฮาในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ โดยนิตยสารชั้นนำต่างแย่งกันรายงานข่าวนี้ ในปี 1999 นิตยสาร Scientific American และ Discover ในปี 2000 ส่วนวิทยาศาสตร์ของหนังสือพิมพ์ Los Angeles Times และในปี 2001 นิตยสาร New Scientist ต่างตีพิมพ์บทความพิเศษที่กล่าวถึงการค้นพบซิลิคอนสีดำและศักยภาพในการประยุกต์ใช้ โดยเชื่อว่ามีศักยภาพที่สำคัญในด้านต่างๆ เช่น การสำรวจระยะไกล การสื่อสารด้วยแสง และไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบัน T. Samet จากฝรั่งเศส, Anoife M. Moloney จากไอร์แลนด์, Zhao Li จากมหาวิทยาลัย Fudan ในประเทศจีน และ Men Haining จากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน ต่างได้ทำการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับซิลิคอนสีดำและได้ผลลัพธ์เบื้องต้นแล้ว บริษัท SiOnyx ในรัฐแมสซาชูเซตส์ สหรัฐอเมริกา ได้ระดมทุน 11 ล้านดอลลาร์สหรัฐ เพื่อใช้เป็นแพลตฟอร์มการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับบริษัทอื่นๆ และได้เริ่มการผลิตเชิงพาณิชย์ของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนสีดำสำหรับเซ็นเซอร์ โดยเตรียมที่จะใช้ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปในระบบถ่ายภาพอินฟราเรดรุ่นใหม่ Stephen Saylor ซีอีโอของ SiOnyx กล่าวว่า ข้อดีด้านต้นทุนต่ำและความไวสูงของเทคโนโลยีซิลิคอนสีดำจะดึงดูดความสนใจของบริษัทที่มุ่งเน้นตลาดการวิจัยและการถ่ายภาพทางการแพทย์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในอนาคต อาจเข้าสู่ตลาดกล้องดิจิทัลและกล้องวิดีโอที่มีมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ได้ SiOnyx กำลังทดลองคุณสมบัติทางโฟโตโวลตาอิกของซิลิคอนสีดำอยู่ และมีความเป็นไปได้สูงที่...ซิลิคอนสีดำจะถูกนำไปใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ในอนาคต 1. กระบวนการก่อตัวของซิลิคอนสีดำ

1.1 ขั้นตอนการเตรียมการ

แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวจะถูกทำความสะอาดตามลำดับด้วยไตรคลอโรเอทิลีน อะซีโตน และเมทานอล จากนั้นวางบนแท่นเป้าหมายที่เคลื่อนที่ได้สามมิติในห้องสุญญากาศ ความดันพื้นฐานของห้องสุญญากาศน้อยกว่า 1.3 × 10⁻² Pa ก๊าซที่ใช้ได้คือ SF₆, Cl₂, N₂, อากาศ, H₂S, H₂, SiH₄ เป็นต้น โดยมีความดันใช้งาน 6.7 × 10⁴ Pa หรืออาจใช้สภาพแวดล้อมสุญญากาศ หรือเคลือบผงธาตุ S, Se หรือ Te ลงบนพื้นผิวซิลิคอนในสุญญากาศก็ได้ แท่นเป้าหมายยังสามารถแช่ในน้ำได้ด้วย พัลส์เฟมโตวินาที (800 นาโนเมตร, 100 เฟมโตวินาที, 500 ไมโครจูล, 1 กิโลเฮิร์ตซ์) ที่สร้างขึ้นโดยเครื่องขยายสัญญาณแบบสร้างใหม่ด้วยเลเซอร์ Ti:sapphire จะถูกโฟกัสโดยเลนส์และฉายลงบนพื้นผิวซิลิคอนในแนวตั้งฉาก (พลังงานเอาต์พุตของเลเซอร์ถูกควบคุมโดยตัวลดทอน ซึ่งประกอบด้วยแผ่นครึ่งคลื่นและตัวกรองโพลาไรซ์) โดยการเคลื่อนแท่นวางเป้าหมายเพื่อสแกนพื้นผิวซิลิคอนด้วยจุดเลเซอร์ จะสามารถสร้างวัสดุซิลิคอนสีดำพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ การเปลี่ยนระยะห่างระหว่างเลนส์กับแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนสามารถปรับขนาดของจุดแสงที่ฉายลงบนพื้นผิวซิลิคอนได้ ซึ่งจะเปลี่ยนความเข้มของเลเซอร์ เมื่อขนาดของจุดคงที่ การเปลี่ยนความเร็วในการเคลื่อนที่ของแท่นวางเป้าหมายสามารถปรับจำนวนพัลส์ที่ฉายลงบนพื้นที่หนึ่งหน่วยของพื้นผิวซิลิคอนได้ ก๊าซที่ใช้ในการทำงานมีผลอย่างมากต่อรูปร่างของโครงสร้างจุลภาคบนพื้นผิวซิลิคอน เมื่อก๊าซที่ใช้ในการทำงานคงที่ การเปลี่ยนแปลงความเข้มของเลเซอร์และจำนวนพัลส์ที่ได้รับต่อหน่วยพื้นที่ สามารถควบคุมความสูง อัตราส่วนความกว้างต่อความสูง และระยะห่างของโครงสร้างขนาดเล็กได้

1.2 ลักษณะทางจุลภาค

หลังจากฉายแสงเลเซอร์เฟมโตวินาที พื้นผิวซิลิคอนผลึกที่เรียบเดิมจะแสดงโครงสร้างรูปกรวยขนาดเล็กเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ยอดกรวยอยู่บนระนาบเดียวกับพื้นผิวซิลิคอนที่ไม่ได้ฉายแสงโดยรอบ รูปร่างของโครงสร้างรูปกรวยมีความสัมพันธ์กับก๊าซที่ใช้ ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยโครงสร้างรูปกรวยที่แสดงใน (a), (b) และ (c) เกิดขึ้นในบรรยากาศ SF₆, S และ N₂ ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ทิศทางของยอดกรวยไม่ขึ้นอยู่กับก๊าซและชี้ไปในทิศทางของการตกกระทบของเลเซอร์เสมอ ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง และไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของการเจือปน ความต้านทาน และทิศทางการเรียงตัวของผลึกซิลิคอน ฐานกรวยไม่สมมาตร โดยมีแกนสั้นขนานกับทิศทางการโพลาไรซ์ของเลเซอร์ โครงสร้างรูปกรวยที่เกิดขึ้นในอากาศนั้นหยาบที่สุด และพื้นผิวของมันถูกปกคลุมด้วยโครงสร้างนาโนแบบเดนไดรต์ที่ละเอียดกว่าขนาด 10–100 นาโนเมตร

ยิ่งความเข้มของเลเซอร์สูงขึ้นและจำนวนพัลส์มากขึ้น โครงสร้างทรงกรวยก็จะยิ่งสูงและกว้างขึ้น ในก๊าซ SF6 ความสูง h และระยะห่าง d ของโครงสร้างทรงกรวยมีความสัมพันธ์แบบไม่เชิงเส้น ซึ่งสามารถแสดงได้โดยประมาณเป็น h∝dp โดยที่ p=2.4±0.1 ทั้งความสูง h และระยะห่าง d เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อความเข้มของเลเซอร์เพิ่มขึ้น เมื่อความเข้มเพิ่มขึ้นจาก 5 kJ/m² เป็น 10 kJ/m² ระยะห่าง d จะเพิ่มขึ้น 3 เท่า และเมื่อรวมกับความสัมพันธ์ระหว่าง h และ d ความสูง h จะเพิ่มขึ้น 12 เท่า

หลังจากอบด้วยความร้อนสูง (1200 K, 3 ชั่วโมง) ในสภาวะสุญญากาศ โครงสร้างทรงกรวยของซิลิคอนสีดำไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ แต่โครงสร้างนาโนแบบเดนไดรต์ขนาด 10–100 นาโนเมตรบนพื้นผิวลดลงอย่างมาก การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีแบบไอออนแชนเนลลิ่งแสดงให้เห็นว่าความไม่เป็นระเบียบบนพื้นผิวรูปทรงกรวยลดลงหลังจากกระบวนการอบร้อน แต่โครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบส่วนใหญ่ไม่ได้เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาวะการอบร้อนเหล่านี้

1.3 กลไกการก่อตัว

ปัจจุบันกลไกการเกิดซิลิคอนสีดำยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม เอริค มาซูร์และคณะได้ตั้งข้อสันนิษฐานโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโครงสร้างจุลภาคบนพื้นผิวซิลิคอนตามสภาพแวดล้อมการทำงานว่า ภายใต้การกระตุ้นด้วยเลเซอร์เฟมโตวินาทีความเข้มสูง จะเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างก๊าซกับพื้นผิวซิลิคอนผลึก ทำให้พื้นผิวซิลิคอนถูกกัดเซาะโดยก๊าซบางชนิด เกิดเป็นรูปทรงกรวยแหลมคม เอริค มาซูร์และคณะได้อธิบายกลไกทางกายภาพและเคมีของการเกิดโครงสร้างจุลภาคบนพื้นผิวซิลิคอนว่าเกิดจาก: การหลอมและการกัดเซาะของพื้นผิวซิลิคอนที่เกิดจากพัลส์เลเซอร์ความเข้มสูง; การกัดเซาะพื้นผิวซิลิคอนโดยไอออนและอนุภาคที่ทำปฏิกิริยาซึ่งเกิดจากสนามเลเซอร์ที่รุนแรง; และการตกผลึกใหม่ของส่วนที่ถูกกัดเซาะของพื้นผิวซิลิคอน

โครงสร้างรูปทรงกรวยบนพื้นผิวซิลิคอนเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ และสามารถสร้างอาร์เรย์ที่ค่อนข้างเป็นระเบียบได้โดยไม่ต้องใช้หน้ากาก MY Shen และคณะ ได้ติดแผ่นตาข่ายทองแดงสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านที่มีความหนา 2 ไมโครเมตรลงบนพื้นผิวซิลิคอนเพื่อใช้เป็นหน้ากาก จากนั้นฉายแสงเลเซอร์เฟมโตวินาทีลงบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนในก๊าซ SF6 พวกเขาได้อาร์เรย์ของโครงสร้างรูปทรงกรวยที่จัดเรียงอย่างเป็นระเบียบมากบนพื้นผิวซิลิคอน ซึ่งสอดคล้องกับรูปแบบของหน้ากาก (ดูรูปที่ 4) ขนาดของช่องเปิดของหน้ากากมีผลอย่างมากต่อการจัดเรียงของโครงสร้างรูปทรงกรวย การเลี้ยวเบนของเลเซอร์ที่ตกกระทบโดยช่องเปิดของหน้ากากทำให้การกระจายพลังงานเลเซอร์บนพื้นผิวซิลิคอนไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการกระจายอุณหภูมิเป็นระยะบนพื้นผิวซิลิคอน ซึ่งในที่สุดก็บังคับให้อาร์เรย์ของโครงสร้างบนพื้นผิวซิลิคอนเป็นระเบียบมากขึ้น