א רעוואלוציאנער נייַ מאַטעריאַל – שוואַרץ סיליקאָן
שוואַרצע סיליקאָן איז אַ נײַער טיפּ סיליקאָן מאַטעריאַל מיט אויסגעצייכנטע אָפּטאָעלעקטראָנישע אייגנשאַפֿטן. דער אַרטיקל סומאַריזירט די פֿאָרשונגס־אַרבעט אויף שוואַרצן סיליקאָן דורך עריק מאַזור און אַנדערע פֿאָרשער אין די לעצטע יאָרן, דעטאַלירנדיק דעם צוגרייטונג און פֿאָרמאַציע־מעכאַניזם פֿון שוואַרצן סיליקאָן, ווי אויך זײַנע אייגנשאַפֿטן ווי אַבזאָרפּציע, לומאַנעסענס, פֿעלד־עמיסיע און ספּעקטראַלע רעאַקציע. עס ווײַזט אויך אָן די וויכטיקע פּאָטענציעלע אַפּליקאַציעס פֿון שוואַרצן סיליקאָן אין אינפֿראַרויט־דעטעקטאָרן, זונ־צעלן און פֿלאַך־פּאַנעל־דיספּלייז.
קריסטאַלינע סיליקאָן ווערט ברייט גענוצט אין דער האַלב-קאָנדוקטאָר אינדוסטריע צוליב זיינע מעלות ווי גרינגקייט פון רייניקונג, גרינגקייט פון דאָפּינג, און הויך-טעמפּעראַטור קעגנשטעל. אָבער, עס האט אויך פילע חסרונות, ווי הויך רעפלעקטיוויטי פון זעבאר און אינפראַרעד ליכט אויף זיין ייבערפלאַך. דערצו, צוליב זיין גרויסער באַנד גאַפּ,קריסטאַלינע סיליקאָןקען נישט אַבזאָרבירן ליכט מיט כוואַליע לענג גרעסער ווי 1100 נם. ווען די כוואַליע לענג פון אינצידענטע ליכט איז גרעסער ווי 1100 נם, ווערן די אַבזאָרפּציע און רעאַקציע קורס פון סיליקאָן דעטעקטאָרן שטארק רעדוצירט. אַנדערע מאַטעריאַלן ווי דזשערמאַניאַם און אינדיום גאַליום אַרסעניד מוזן ווערן גענוצט צו דעטעקטירן די כוואַליע לענג. אָבער, די הויכע קאָסטן, שלעכטע טערמאָדִינאַמישע אייגנשאַפטן און קריסטאַל קוואַליטעט, און אומקאָמפּאַטיבילאַטי מיט עקזיסטירנדיקע דערוואַקסענע סיליקאָן פּראָצעסן באַגרענעצן זייער אַפּליקאַציע אין סיליקאָן-באַזירטע דעוויסעס. דעריבער, רעדוצירן די רעפלעקציע פון קריסטאַלינע סיליקאָן סערפאַסיז און פאַרברייטערן די דעטעקשאַן כוואַליע לענג קייט פון סיליקאָן-באַזירטע און סיליקאָן-קאָמפּאַטיבלע פאָטאָדעטעקטאָרן בלייבט אַ הייסע פאָרשונג טעמע.
כדי צו רעדוצירן די רעפלעקציע פון קריסטאַלינע סיליקאָן ייבערפלאַכן, זענען פילע עקספּערימענטאַלע מעטאָדן און טעקניקס גענוצט געוואָרן, אַזאַ ווי פאָטאָליטאָגראַפי, רעאַקטיוו יאָן עטשינג, און עלעקטראָכעמישע עטשינג. די טעקניקס קענען, צו אַ געוויסער מאָס, ענדערן די ייבערפלאַך און נאָענט-אויבערפלאַך מאָרפאָלאָגיע פון קריסטאַלינע סיליקאָן, אַזוי רעדוצירןסיליקאָן אויבערפלאַך רעפלעקציע. אין דעם זעבארן ליכט קייט, קען רעדוצירן רעפלעקציע פארגרעסערן אבסארפציע און פארבעסערן אפאראט עפעקטיווקייט. אבער, ביי וועוולענגטס וואס איבערשטייגן 1100 נאַנאָמעטער, אויב קיין אבסארפציע ענערגיע לעוועלס ווערן נישט אריינגעפירט אין דעם סיליקאן באנד גאפ, פירט פארקלענערטע רעפלעקציע נאר צו פארגרעסערטע טראנסמיסיע, ווייל דער באנד גאפ פון סיליקאן באגרענעצט לעצטלעך זיין אבסארפציע פון לאנג-וועוולענגט ליכט. דעריבער, צו פארברייטערן דעם סענסיטיוון וועוולענגט קייט פון סיליקאן-באזירטע און סיליקאן-קאמפאטיבלע אפאראטן, איז עס נויטיק צו פארגרעסערן פאטאן אבסארפציע אינעם באנד גאפ בשעת מען סיימאַלטייניאַסלי רעדוצירט סיליקאן אויבערפלאַך רעפלעקציע.
אין די שפּעטע 1990ער יאָרן, האָבן פּראָפעסאָר עריק מאַזור און אַנדערע אין האַרוואַרד אוניווערסיטעט באַקומען אַ נייעם מאַטעריאַל - שוואַרצן סיליקאָן - בעת זייער פאָרשונג וועגן דער אינטעראַקציע פון פېמטאָסעקונד לאַזערס מיט מאַטעריע, ווי געוויזן אין פיגור 1. בשעת זיי האָבן שטודירט די פאָטאָעלעקטרישע אייגנשאַפטן פון שוואַרצן סיליקאָן, זענען עריק מאַזור און זיינע קאָלעגן געווען איבערראשט צו אַנטדעקן אַז דאָס מיקראָסטרוקטורירטע סיליקאָן מאַטעריאַל פאַרמאָגט אייגענאַרטיקע פאָטאָעלעקטרישע אייגנשאַפטן. עס אַבזאָרבירט כּמעט אַלע ליכט אין די נאָענט-ולטראַוויאָלעט און נאָענט-אינפֿראַרויט קייט (0.25-2.5 מיקראָמעטער), און ווייזט אויף אויסגעצייכנטע זיכטבארע און נאָענט-אינפֿראַרויט לומינאַסענס אייגנשאַפטן און גוטע פעלד ימישאַן אייגנשאַפטן. די ענטדעקונג האָט געפֿירט צו אַ סענסאַציע אין דער האַלב-קאָנדוקטאָר אינדוסטריע, מיט גרויסע זשורנאַלן וואָס האָבן זיך געקעמפט צו באַריכטן וועגן דעם. אין 1999, האָבן די Scientific American און Discover זשורנאַלן, אין 2000 די Los Angeles Times וויסנשאַפֿט סעקציע, און אין 2001 New Scientist זשורנאַל אַלע פאַרעפֿנטלעכט פֿעיִטשער אַרטיקלען וואָס דיסקוטירן די ענטדעקונג פון שוואַרצן סיליקאָן און זייַנע פּאָטענציעלע אַפּליקאַציעס, גלויבנדיק אַז עס האָט אַ באַדייטנדיק פּאָטענציעל ווערט אין פעלדער ווי ווייַט סענסינג, אָפּטישע קאָמוניקאַציע און מיקראָעלעקטראָניק.
איצט, ט. סאַמעט פֿון פֿראַנקרײַך, אַנאָיפֿע מ. מאָלאָני פֿון אירלאַנד, זשאַאָ לי פֿון פֿודאַן אוניווערסיטעט אין כינע, און מען היינינג פֿון דער כינעזישער אַקאַדעמיע פֿון וויסנשאַפֿטן האָבן אַלע דורכגעפֿירט ברייטע פֿאָרשונג אויף שוואַרצן סיליקאָן און דערגרייכט פֿאָרלייפיקע רעזולטאַטן. סיאָניקס, אַ פֿירמע אין מאַסאַטשוסעטס, USA, האָט אַפֿילו אויפֿגעהויבן $11 מיליאָן אין ווענטשער קאַפּיטאַל צו דינען ווי אַ טעכנאָלאָגיע אַנטוויקלונג פּלאַטפאָרמע פֿאַר אַנדערע פֿירמעס, און האָט אָנגעהויבן קאָמערציעלע פּראָדוקציע פֿון סענסאָר-באַזירטע שוואַרצע סיליקאָן וועיפֿערס, גרייטנדיק זיך צו נוצן די פֿאַרטיקע פּראָדוקטן אין די קומענדיקע דור אינפֿראַרויט בילדגעבונג סיסטעמען. סטיפֿן סײַלאָר, סעאָ פֿון סיאָניקס, האָט געזאָגט אַז די נידעריקע קאָסטן און הויך סענסיטיוויטי מעלות פֿון שוואַרצער סיליקאָן טעכנאָלאָגיע וועלן אומפֿאַרמײַדלעך צוציען די אויפֿמערקזאַמקייט פֿון פֿירמעס פֿאָקוסירט אויף פֿאָרשונג און מעדיצינישע בילדגעבונג מאַרקן. אין דער צוקונפֿט, קען עס אַפֿילו אַרײַנטרעטן אין דעם מולטי-ביליאָן דאָלאַר דיגיטאַל קאַמעראַ און קאַמקאָרדער מאַרק. סיאָניקס עקספּערימענטירט אויך איצט מיט די פֿאָטאָוואָלטאַישע אייגנשאַפֿטן פֿון שוואַרצן סיליקאָן, און עס איז זייער מסתּמא אַז...שוואַרץ סיליקאָןוועט ווערן גענוצט אין זונ - צעלן אין דער צוקונפט. 1. פאָרמירונג פּראָצעס פון שוואַרץ סיליקאָן
1.1 צוגרייטונג פּראָצעס
איין-קריסטאַל סיליקאָן וועיפערס ווערן איינס נאכן אנדערן ריין געמאַכט מיט טריכלאָרעטילען, אַצעטאָן, און מעטאַנאָל, און דערנאָך געשטעלט אויף אַ דריי-דימענסיאָנאַלער באַוועגלעכער ציל בינע אין אַ וואַקוום קאַמער. דער באַזע דרוק פון דער וואַקוום קאַמער איז ווייניקער ווי 1.3 × 10⁻² פּאַ. דער אַרבעט גאַז קען זיין SF₆, Cl₂, N₂, לופט, H₂S, H₂, SiH₄, אאז"וו, מיט אַן אַרבעט דרוק פון 6.7 × 10⁴ פּאַ. אַלטערנאַטיוולי, קען מען נוצן אַ וואַקוום סביבה, אָדער עלעמענטאַרע פּודערס פון S, Se, אָדער Te קענען ווערן באַשמירט אויף דער סיליקאָן ייבערפלאַך אין אַ וואַקוום. די ציל בינע קען אויך ווערן איינגעטובלט אין וואַסער. פעמטאסעקונדע פּולסן (800 נאַנאָמעטער, 100 פֿס, 500 מיקראָדזשולז, 1 קילאָמעטער) גענערירט דורך אַ טי:סאַפיר לאַזער רעגענעראַטיוו אַמפּליפייער ווערן פֿאָקוסירט דורך אַ לינזע און באַשטראַלט פּערפּענדיקולאַר אויף דער סיליקאָן ייבערפלאַך (די לאַזער אַרויסגאַנג ענערגיע ווערט קאָנטראָלירט דורך אַן אַטענואַטאָר, וואָס באַשטייט פֿון אַ האַלב-כוואַליע פּלאַטע און אַ פּאָלאַריזער). דורך באַוועגן די ציל בינע צו סקענען די סיליקאָן ייבערפלאַך מיטן לאַזער פֿלעק, קען מען באַקומען אַ גרויס-שטח שוואַרצע סיליקאָן מאַטעריאַל. ענדערן די דיסטאַנץ צווישן דער לינזע און דעם סיליקאָן וועיפֿער קען אַדזשאַסטירן די גרייס פֿון דעם ליכט פֿלעק וואָס באַשטראַלט אויף דער סיליקאָן ייבערפלאַך, דערמיט ענדערן די לאַזער פֿלוענס; ווען די פֿלעק גרייס איז קאָנסטאַנט, קען ענדערן די באַוועגונג גיכקייט פֿון דער ציל בינע אַדזשאַסטירן די צאָל פּולסן וואָס באַשטראַלט ווערן אויף אַ יוניט שטח פֿון דער סיליקאָן ייבערפלאַך. דער אַרבעט גאַז אַפֿעקטירט באַדייטנד די פֿאָרעם פֿון דער סיליקאָן ייבערפלאַך מיקראָסטרוקטור. ווען דער אַרבעט גאַז איז קאָנסטאַנט, קען ענדערן די לאַזער פֿלוענס און די צאָל פּולסן וואָס ווערן באַקומען פּער יוניט שטח קאָנטראָלירן די הייך, אַספּעקט פאַרהעלטעניש, און ספּייסינג פֿון די מיקראָסטרוקטורן.
1.2 מיקראָסקאָפּישע קעראַקטעריסטיקס
נאך פעמטאסעקונד לייזער באשטראלונג, ווייזט די ארגינעל גלאט קריסטאלינע סיליקאן אויבערפלאך אן אריע פון קוואזי-רעגולער אראנדזשירטע קליינע קאנישע סטרוקטורן. די קאנוס שפיצן זענען אויף דער זעלבער פלאך ווי די ארומיגע נישט-באשטראלטע סיליקאן אויבערפלאך. די פארעם פון דער קאנישער סטרוקטור איז פארבונדן מיטן ארבעטס גאז, ווי געוויזן אין פיגור 2, וואו די קאנישע סטרוקטורן געוויזן אין (א), (ב), און (ג) זענען געשאפן אין SF₆, S, און N₂ אטמאספערע, בהתאמה. אבער, די ריכטונג פון די קאנוס שפיצן איז אומאפהענגיק פון דעם גאז און ווייזט שטענדיג אין דער ריכטונג פון לייזער אינצידענץ, נישט באאיינפלוסט דורך גראוויטי, און אויך אומאפהענגיק פון דעם דאפינג טיפ, קעגנשטאנד, און קריסטאל אריענטאציע פון דעם קריסטאלינעם סיליקאן; די קאנוס באזעס זענען אסימעטריש, מיט זייער קורצער אקס פאראלעל צו דער לייזער פאלאריזאציע ריכטונג. די קאנישע סטרוקטורן געשאפן אין לופט זענען די גראָבסטע, און זייערע אויבערפלאכן זענען באדעקט מיט נאך פיינערע דענדריטישע נאנאסטרוקטורן פון 10-100 נ"מ.
וואָס העכער די לאַזער פלוענס און וואָס גרעסער די צאָל פּולסן, אַלץ העכער און ברייטער ווערן די קאָנישע סטרוקטורן. אין SF6 גאַז, די הייך h און די אָפּשטאַנד d פון די קאָנישע סטרוקטורן האָבן אַ ניט-לינעאַרע באַציִונג, וואָס קען אויסגעדריקט ווערן אַפּראָקסימאַטיוולי ווי h∝dp, וואו p=2.4±0.1; ביידע הייך h און אָפּשטאַנד d וואַקסן באַדייטנד מיטן וואַקסן פון לאַזער פלוענס. ווען די פלוענס וואַקסט פון 5 kJ/m² צו 10 kJ/m², וואַקסט די אָפּשטאַנד d מיט 3 מאָל, און צוזאַמען מיט דער באַציִונג צווישן h און d, וואַקסט די הייך h מיט 12 מאָל.
נאך הויך-טעמפּעראַטור אנילינג (1200 ק, 3 שעה) אין א וואַקוום, די קאָנישע סטרוקטורן פוןשוואַרץ סיליקאָןהאט זיך נישט באדייטנד געענדערט, אבער די 10–100 נאַנאָמעטער דענדריטישע נאַנאָסטרוקטורן אויף דער ייבערפלאַך זענען שטארק רעדוצירט געוואָרן. יאָן טשאַנלינג ספּעקטראָסקאָפּיע האט געוויזן אַז די אומאָרדענונג אויף דער קאָנישער ייבערפלאַך איז פאַרקלענערט געוואָרן נאָך אַנילינג, אָבער רובֿ פון די אומאָרדענונג סטרוקטורן האָבן זיך נישט געענדערט אונטער די אַנילינג באַדינגונגען.
1.3 פאָרמאַציע מעכאַניזם
איצט איז דער פאָרמירונג מעכאַניזם פון שוואַרץ סיליקאָן נישט קלאָר. אָבער, עריק מאַזור און אַנדערע האָבן ספּעקולירט, באַזירט אויף דער ענדערונג אין דער פאָרעם פון דער סיליקאָן ייבערפלאַך מיקראָסטרוקטור מיט דער אַרבעט אַטמאָספער, אַז אונטער דער סטימולאַציע פון הויך-אינטענסיטעט פעמטאָסעקאָנד לאַזערס, איז דאָ אַ כעמישע רעאַקציע צווישן דעם גאַז און דער קריסטאַלינישער סיליקאָן ייבערפלאַך, וואָס ערלויבט די סיליקאָן ייבערפלאַך צו ווערן איינגעעטשט דורך געוויסע גאַזן, פאָרמענדיק שאַרפע קאָנעס. עריק מאַזור און אַנדערע האָבן צוגעשריבן די פיזישע און כעמישע מעכאַניזמען פון סיליקאָן ייבערפלאַך מיקראָסטרוקטור פאָרמירונג צו: צעשמעלצן און אַבלאַציע פון דעם סיליקאָן סאַבסטראַט געפֿירט דורך הויך-פלוס לאַזער פּאַלסן; איינעטשינג פון דעם סיליקאָן סאַבסטראַט דורך רעאַקטיווע יאָנען און פּאַרטיקאַלז דזשענערייטאַד דורך דעם שטאַרקן לאַזער פעלד; און ריקריסטאַליזאַציע פון דעם אַבלאַטעד טייל פון דעם סאַבסטראַט סיליקאָן.
די קאנישע סטרוקטורן אויף דער סיליקאן ייבערפלאך ווערן ספאנטאן געשאפן, און א קוואזי-רעגולערע ארעי קען געשאפן ווערן אן א מאסקע. MY Shen et al. האבן אנגעהענגט א 2 μm דיקע טראנסמיסיע עלעקטראן מיקראסקאפ קופער מעש צו דער סיליקאן ייבערפלאך אלס א מאסקע, און דערנאך באשטראלט דעם סיליקאן וועיפער אין SF6 גאז מיט א פעמטאסעקונד לייזער. זיי האבן באקומען א זייער רעגולער אראנדזשירטע ארעי פון קאנישע סטרוקטורן אויף דער סיליקאן ייבערפלאך, וואס איז אין איינקלאנג מיטן מאסקע מוסטער (זעה בילד 4). די אפערטור גרייס פון דער מאסקע באאיינפלוסט באדייטנד די אראנדזשירונג פון די קאנישע סטרוקטורן. די דיפראקציע פון דעם איינפאלנדיקן לייזער דורך די מאסקע אפערטורן פאראורזאכט א נישט-אייניגפארמע פארשפרייטונג פון לייזער ענערגיע אויף דער סיליקאן ייבערפלאך, וואס רעזולטירט אין א פעריאדישע טעמפעראטור פארשפרייטונג אויף דער סיליקאן ייבערפלאך. דאס צווינגט לעצטendlich די סיליקאן ייבערפלאך סטרוקטור ארעי צו ווערן רעגולער.