એક ક્રાંતિકારી નવી સામગ્રી - બ્લેક સિલિકોન
બ્લેક સિલિકોન એ એક નવા પ્રકારનું સિલિકોન મટીરીયલ છે જેમાં ઉત્તમ ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો છે. આ લેખ તાજેતરના વર્ષોમાં એરિક મઝુર અને અન્ય સંશોધકો દ્વારા બ્લેક સિલિકોન પરના સંશોધન કાર્યનો સારાંશ આપે છે, જેમાં બ્લેક સિલિકોનની તૈયારી અને રચના પદ્ધતિ તેમજ શોષણ, લ્યુમિનેસેન્સ, ફિલ્ડ ઉત્સર્જન અને સ્પેક્ટ્રલ પ્રતિભાવ જેવા તેના ગુણધર્મોની વિગતો આપવામાં આવી છે. તે ઇન્ફ્રારેડ ડિટેક્ટર, સોલાર સેલ અને ફ્લેટ-પેનલ ડિસ્પ્લેમાં બ્લેક સિલિકોનના મહત્વપૂર્ણ સંભવિત ઉપયોગો પણ દર્શાવે છે.
શુદ્ધિકરણની સરળતા, ડોપિંગની સરળતા અને ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિકાર જેવા ફાયદાઓને કારણે સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સ્ફટિકીય સિલિકોનનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. જો કે, તેમાં ઘણી ખામીઓ પણ છે, જેમ કે તેની સપાટી પર દૃશ્યમાન અને ઇન્ફ્રારેડ પ્રકાશની ઉચ્ચ પરાવર્તકતા. વધુમાં, તેના મોટા બેન્ડ ગેપને કારણે,સ્ફટિકીય સિલિકોન1100 nm થી વધુ તરંગલંબાઇવાળા પ્રકાશને શોષી શકતા નથી. જ્યારે ઘટના પ્રકાશની તરંગલંબાઇ 1100 nm થી વધુ હોય છે, ત્યારે સિલિકોન ડિટેક્ટરનો શોષણ અને પ્રતિભાવ દર ઘણો ઓછો થઈ જાય છે. આ તરંગલંબાઇ શોધવા માટે જર્મેનિયમ અને ઇન્ડિયમ ગેલિયમ આર્સેનાઇડ જેવા અન્ય પદાર્થોનો ઉપયોગ કરવો આવશ્યક છે. જો કે, ઊંચી કિંમત, નબળી થર્મોડાયનેમિક ગુણધર્મો અને સ્ફટિક ગુણવત્તા, અને હાલની પરિપક્વ સિલિકોન પ્રક્રિયાઓ સાથે અસંગતતા સિલિકોન-આધારિત ઉપકરણોમાં તેમના ઉપયોગને મર્યાદિત કરે છે. તેથી, સ્ફટિકીય સિલિકોન સપાટીઓના પ્રતિબિંબને ઘટાડવા અને સિલિકોન-આધારિત અને સિલિકોન-સુસંગત ફોટોડિટેક્ટર્સની શોધ તરંગલંબાઇ શ્રેણીને વિસ્તૃત કરવી એ એક ગરમ સંશોધન વિષય રહે છે.
સ્ફટિકીય સિલિકોન સપાટીઓના પ્રતિબિંબને ઘટાડવા માટે, ઘણી પ્રાયોગિક પદ્ધતિઓ અને તકનીકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે, જેમ કે ફોટોલિથોગ્રાફી, પ્રતિક્રિયાશીલ આયન એચિંગ અને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એચિંગ. આ તકનીકો, અમુક અંશે, સ્ફટિકીય સિલિકોનની સપાટી અને નજીક-સપાટીના આકારશાસ્ત્રને બદલી શકે છે, આમ ઘટાડી શકે છેસિલિકોન સપાટી પ્રતિબિંબ. દૃશ્યમાન પ્રકાશ શ્રેણીમાં, પ્રતિબિંબ ઘટાડવાથી શોષણ વધી શકે છે અને ઉપકરણ કાર્યક્ષમતામાં સુધારો થઈ શકે છે. જો કે, 1100 nm થી વધુ તરંગલંબાઇ પર, જો સિલિકોન બેન્ડ ગેપમાં કોઈ શોષણ ઊર્જા સ્તર દાખલ કરવામાં ન આવે, તો ઘટાડો પ્રતિબિંબ ફક્ત ટ્રાન્સમિશનમાં વધારો તરફ દોરી જાય છે, કારણ કે સિલિકોનનો બેન્ડ ગેપ આખરે લાંબા-તરંગલંબાઇ પ્રકાશના શોષણને મર્યાદિત કરે છે. તેથી, સિલિકોન-આધારિત અને સિલિકોન-સુસંગત ઉપકરણોની સંવેદનશીલ તરંગલંબાઇ શ્રેણીને વિસ્તૃત કરવા માટે, સિલિકોન સપાટી પ્રતિબિંબ ઘટાડવાની સાથે સાથે બેન્ડ ગેપમાં ફોટોન શોષણ વધારવું જરૂરી છે.
૧૯૯૦ ના દાયકાના અંતમાં, હાર્વર્ડ યુનિવર્સિટીના પ્રોફેસર એરિક મઝુર અને અન્ય લોકોએ ફેમટોસેકન્ડ લેસરોની દ્રવ્ય સાથેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા પરના તેમના સંશોધન દરમિયાન એક નવી સામગ્રી - બ્લેક સિલિકોન - મેળવી, જેમ કે આકૃતિ ૧ માં બતાવ્યા પ્રમાણે. કાળા સિલિકોનના ફોટોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરતી વખતે, એરિક મઝુર અને તેમના સાથીદારોને એ જાણીને આશ્ચર્ય થયું કે આ માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર્ડ સિલિકોન સામગ્રીમાં અનન્ય ફોટોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો છે. તે લગભગ તમામ પ્રકાશને નજીકના-અલ્ટ્રાવાયોલેટ અને નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ શ્રેણી (૦.૨૫–૨.૫ μm) માં શોષી લે છે, જે ઉત્તમ દૃશ્યમાન અને નજીકના-ઇન્ફ્રારેડ લ્યુમિનેસેન્સ લાક્ષણિકતાઓ અને સારા ક્ષેત્ર ઉત્સર્જન ગુણધર્મો દર્શાવે છે. આ શોધથી સેમિકન્ડક્ટર ઉદ્યોગમાં સનસનાટી મચી ગઈ, મુખ્ય સામયિકો તેના પર અહેવાલ આપવા માટે સ્પર્ધા કરી રહ્યા હતા. ૧૯૯૯ માં, સાયન્ટિફિક અમેરિકન અને ડિસ્કવર મેગેઝિન, ૨૦૦૦ માં લોસ એન્જલસ ટાઇમ્સ સાયન્સ સેક્શન, અને ૨૦૦૧ માં ન્યૂ સાયન્ટિસ્ટ મેગેઝિન બધાએ કાળા સિલિકોનની શોધ અને તેના સંભવિત ઉપયોગોની ચર્ચા કરતા ફીચર લેખો પ્રકાશિત કર્યા, એવું માનતા કે તે રિમોટ સેન્સિંગ, ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન અને માઇક્રોઇલેક્ટ્રોનિક્સ જેવા ક્ષેત્રોમાં નોંધપાત્ર સંભવિત મૂલ્ય ધરાવે છે.
હાલમાં, ફ્રાન્સના ટી. સેમેટ, આયર્લેન્ડના એનોઇફ એમ. મોલોની, ચીનની ફુદાન યુનિવર્સિટીના ઝાઓ લી અને ચાઇનીઝ એકેડેમી ઓફ સાયન્સના મેન હેનિંગે બ્લેક સિલિકોન પર વ્યાપક સંશોધન કર્યું છે અને પ્રારંભિક પરિણામો પ્રાપ્ત કર્યા છે. યુએસએના મેસેચ્યુસેટ્સ સ્થિત કંપની સિઓનિક્સે અન્ય કંપનીઓ માટે ટેકનોલોજી વિકાસ પ્લેટફોર્મ તરીકે સેવા આપવા માટે $11 મિલિયન વેન્ચર કેપિટલ પણ એકત્ર કર્યા છે, અને સેન્સર-આધારિત બ્લેક સિલિકોન વેફરનું વ્યાપારી ઉત્પાદન શરૂ કર્યું છે, જે આગામી પેઢીના ઇન્ફ્રારેડ ઇમેજિંગ સિસ્ટમ્સમાં ફિનિશ્ડ ઉત્પાદનોનો ઉપયોગ કરવાની તૈયારી કરી રહ્યું છે. સિઓનિક્સના સીઈઓ સ્ટીફન સેલોરે જણાવ્યું હતું કે બ્લેક સિલિકોન ટેકનોલોજીના ઓછા ખર્ચ અને ઉચ્ચ સંવેદનશીલતાના ફાયદા અનિવાર્યપણે સંશોધન અને તબીબી ઇમેજિંગ બજારો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરતી કંપનીઓનું ધ્યાન આકર્ષિત કરશે. ભવિષ્યમાં, તે બહુ-અબજ ડોલરના ડિજિટલ કેમેરા અને કેમકોર્ડર બજારમાં પણ પ્રવેશી શકે છે. સિઓનિક્સ હાલમાં બ્લેક સિલિકોનના ફોટોવોલ્ટેઇક ગુણધર્મો સાથે પણ પ્રયોગ કરી રહ્યું છે, અને તે ખૂબ જ સંભવ છે કેકાળો સિલિકોનભવિષ્યમાં સૌર કોષોમાં ઉપયોગમાં લેવાશે. 1. બ્લેક સિલિકોનની રચના પ્રક્રિયા
૧.૧ તૈયારી પ્રક્રિયા
સિંગલ-ક્રિસ્ટલ સિલિકોન વેફર્સને ટ્રાઇક્લોરોઇથિલિન, એસીટોન અને મિથેનોલથી ક્રમિક રીતે સાફ કરવામાં આવે છે, અને પછી વેક્યૂમ ચેમ્બરમાં ત્રિ-પરિમાણીય રીતે ગતિશીલ લક્ષ્ય સ્ટેજ પર મૂકવામાં આવે છે. વેક્યૂમ ચેમ્બરનું મૂળ દબાણ 1.3 × 10⁻² Pa કરતા ઓછું હોય છે. કાર્યકારી ગેસ SF₆, Cl₂, N₂, હવા, H₂S, H₂, SiH₄, વગેરે હોઈ શકે છે, 6.7 × 10⁴ Pa ના કાર્યકારી દબાણ સાથે. વૈકલ્પિક રીતે, વેક્યૂમ વાતાવરણનો ઉપયોગ કરી શકાય છે, અથવા S, Se, અથવા Te ના એલિમેન્ટલ પાવડરને વેક્યૂમમાં સિલિકોન સપાટી પર કોટ કરી શકાય છે. લક્ષ્ય સ્ટેજને પાણીમાં પણ ડૂબાડી શકાય છે. Ti:sapphire લેસર રિજનરેટિવ એમ્પ્લીફાયર દ્વારા ઉત્પન્ન થતા ફેમટોસેકન્ડ પલ્સ (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) લેન્સ દ્વારા કેન્દ્રિત થાય છે અને સિલિકોન સપાટી પર કાટખૂણે ઇરેડિયેટેડ થાય છે (લેસર આઉટપુટ ઊર્જા એટેન્યુએટર દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે, જેમાં અર્ધ-તરંગ પ્લેટ અને પોલરાઇઝર હોય છે). લેસર સ્પોટ વડે સિલિકોન સપાટીને સ્કેન કરવા માટે લક્ષ્ય સ્ટેજને ખસેડીને, મોટા-ક્ષેત્રવાળા કાળા સિલિકોન સામગ્રી મેળવી શકાય છે. લેન્સ અને સિલિકોન વેફર વચ્ચેનું અંતર બદલવાથી સિલિકોન સપાટી પર ઇરેડિયેટેડ પ્રકાશ સ્પોટનું કદ સમાયોજિત થઈ શકે છે, જેનાથી લેસર ફ્લુઅન્સ બદલાઈ શકે છે; જ્યારે સ્પોટનું કદ સ્થિર હોય છે, ત્યારે લક્ષ્ય સ્ટેજની ગતિશીલ ગતિ બદલવાથી સિલિકોન સપાટીના એકમ ક્ષેત્ર પર ઇરેડિયેટેડ પલ્સની સંખ્યાને સમાયોજિત કરી શકાય છે. કાર્યકારી ગેસ સિલિકોન સપાટીના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરના આકારને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરે છે. જ્યારે કાર્યકારી ગેસ સ્થિર હોય છે, ત્યારે લેસર ફ્લુઅન્સ અને પ્રતિ યુનિટ ક્ષેત્ર પ્રાપ્ત પલ્સની સંખ્યા બદલવાથી માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર્સની ઊંચાઈ, પાસા રેશિયો અને અંતર નિયંત્રિત થઈ શકે છે.
૧.૨ સૂક્ષ્મ લાક્ષણિકતાઓ
ફેમટોસેકન્ડ લેસર ઇરેડિયેશન પછી, મૂળ સુંવાળી સ્ફટિકીય સિલિકોન સપાટી અર્ધ-નિયમિત રીતે ગોઠવાયેલા નાના શંકુ આકારના માળખાંની શ્રેણી દર્શાવે છે. શંકુ આકારના ટોચ આસપાસના અવિકિરણિત સિલિકોન સપાટી જેવા જ સમતલ પર હોય છે. શંકુ આકારના માળખાનો આકાર કાર્યકારી ગેસ સાથે સંબંધિત છે, જેમ કે આકૃતિ 2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, જ્યાં (a), (b), અને (c) માં બતાવેલ શંકુ આકારના માળખા અનુક્રમે SF₆, S અને N₂ વાતાવરણમાં રચાય છે. જો કે, શંકુ આકારના માળખાની દિશા ગેસથી સ્વતંત્ર છે અને હંમેશા લેસર ઘટનાની દિશામાં નિર્દેશ કરે છે, ગુરુત્વાકર્ષણથી પ્રભાવિત નથી, અને સ્ફટિકીય સિલિકોનના ડોપિંગ પ્રકાર, પ્રતિકારકતા અને સ્ફટિકીય દિશાથી પણ સ્વતંત્ર છે; શંકુ પાયા અસમપ્રમાણ છે, તેમની ટૂંકી ધરી લેસર ધ્રુવીકરણ દિશાની સમાંતર છે. હવામાં બનેલી શંકુ આકારની રચનાઓ સૌથી ખરબચડી હોય છે, અને તેમની સપાટીઓ 10-100 nm ના વધુ ઝીણા ડેંડ્રિટિક નેનોસ્ટ્રક્ચર્સથી ઢંકાયેલી હોય છે.
લેસર ફ્લુઅન્સ જેટલું વધારે અને પલ્સની સંખ્યા જેટલી વધારે, શંકુ આકારની રચનાઓ તેટલી ઊંચી અને પહોળી બને છે. SF6 ગેસમાં, શંકુ આકારની રચનાઓની ઊંચાઈ h અને અંતર d નો બિનરેખીય સંબંધ હોય છે, જેને લગભગ h∝dp તરીકે વ્યક્ત કરી શકાય છે, જ્યાં p=2.4±0.1; ઊંચાઈ h અને અંતર d બંને વધતા લેસર ફ્લુઅન્સ સાથે નોંધપાત્ર રીતે વધે છે. જ્યારે ફ્લુઅન્સ 5 kJ/m² થી 10 kJ/m² સુધી વધે છે, ત્યારે અંતર d 3 ગણો વધે છે, અને h અને d વચ્ચેના સંબંધ સાથે જોડાઈને, ઊંચાઈ h 12 ગણો વધે છે.
શૂન્યાવકાશમાં ઉચ્ચ-તાપમાન એનિલિંગ (1200 K, 3 h) પછી, શંકુ આકારની રચનાઓકાળો સિલિકોનનોંધપાત્ર ફેરફાર થયો ન હતો, પરંતુ સપાટી પરના 10-100 nm ડેંડ્રિટિક નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ મોટા પ્રમાણમાં ઓછા થઈ ગયા હતા. આયન ચેનલિંગ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી દર્શાવે છે કે શંકુ સપાટી પરનો વિકાર એનેલીંગ પછી ઘટ્યો હતો, પરંતુ મોટાભાગની અવ્યવસ્થિત રચનાઓ આ એનેલીંગ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ બદલાઈ ન હતી.
૧.૩ રચના પદ્ધતિ
હાલમાં, કાળા સિલિકોનની રચના પદ્ધતિ સ્પષ્ટ નથી. જો કે, કાર્યકારી વાતાવરણ સાથે સિલિકોન સપાટીના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરના આકારમાં ફેરફારના આધારે, એરિક મઝુર અને અન્ય લોકોએ અનુમાન લગાવ્યું હતું કે ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા ફેમટોસેકન્ડ લેસરોના ઉત્તેજના હેઠળ, ગેસ અને સ્ફટિકીય સિલિકોન સપાટી વચ્ચે રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા થાય છે, જેના કારણે સિલિકોન સપાટી ચોક્કસ વાયુઓ દ્વારા કોતરવામાં આવે છે, જેનાથી તીક્ષ્ણ શંકુ બને છે. એરિક મઝુર અને અન્યોએ સિલિકોન સપાટીના માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર રચનાના ભૌતિક અને રાસાયણિક મિકેનિઝમ્સને આભારી છે: ઉચ્ચ-પ્રવાહ લેસર પલ્સને કારણે સિલિકોન સબસ્ટ્રેટનું ગલન અને નિવારણ; મજબૂત લેસર ક્ષેત્ર દ્વારા ઉત્પન્ન થતા પ્રતિક્રિયાશીલ આયનો અને કણો દ્વારા સિલિકોન સબસ્ટ્રેટનું નિવારણ; અને સબસ્ટ્રેટ સિલિકોનના એબ્લેટેડ ભાગનું પુનઃસ્થાપન.
સિલિકોન સપાટી પર શંકુ આકારની રચનાઓ સ્વયંભૂ બને છે, અને માસ્ક વિના પણ અર્ધ-નિયમિત શ્રેણી બનાવી શકાય છે. MY શેન અને અન્યોએ માસ્ક તરીકે સિલિકોન સપાટી પર 2 μm જાડા ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ કોપર મેશ જોડ્યો, અને પછી ફેમટોસેકન્ડ લેસર વડે SF6 ગેસમાં સિલિકોન વેફરને ઇરેડિયેટ કર્યું. તેઓએ સિલિકોન સપાટી પર શંકુ આકારની રચનાઓનો ખૂબ જ નિયમિત રીતે ગોઠવાયેલ શ્રેણી મેળવી, જે માસ્ક પેટર્ન સાથે સુસંગત છે (આકૃતિ 4 જુઓ). માસ્કનું છિદ્ર કદ શંકુ આકારની રચનાઓની ગોઠવણીને નોંધપાત્ર રીતે અસર કરે છે. માસ્ક છિદ્રો દ્વારા ઘટના લેસરનું વિવર્તન સિલિકોન સપાટી પર લેસર ઊર્જાનું બિન-સમાન વિતરણનું કારણ બને છે, જેના પરિણામે સિલિકોન સપાટી પર સમયાંતરે તાપમાન વિતરણ થાય છે. આ આખરે સિલિકોન સપાટીની રચના શ્રેણીને નિયમિત બનવા માટે દબાણ કરે છે.