وطوّر فريق البحث طريقة للإنشاء الكيميائي لمصفوفات مصممة في زرنيخيد الغاليوم شبه الموصل، وهي المادة المستخدمة في الخلايا الشمسية والليزر والصمامات الثنائية الباعثة للضوء والترانزستورات والمكثفات وأجهزة الاستشعار.
أصبح تصنيع مواد أشباه الموصلات للأجهزة الإلكترونية الضوئية أكثر بساطة بفضل الباحثين في جامعة إلينوي.
وطوّر فريق البحث طريقة للإنشاء الكيميائي لمصفوفات مصممة في زرنيخيد الغاليوم شبه الموصل، وهي المادة المستخدمة في الخلايا الشمسية، وأشعة الليزر، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء، والترانزستورات، والمكثفات، وأجهزة الاستشعار. ونشر الباحثون، بقيادة أستاذ هندسة الإلكترونيات والكمبيوتر شيولينج لي، النتائج التي توصلوا إليها في المجلة العلمية Nano Letters.
يمكن أن تختلف الخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات اعتمادًا على بنيتها، لذلك يتم تشكيل طبقات أشباه الموصلات في هياكل تضبط خصائصها الإلكترونية والبصرية قبل إدخالها في الرقائق. يمكن تصميم أشباه الموصلات باستخدام طريقتين: النقش "الرطب" الذي يستخدم فيه محلول كيميائي من أجل أكل شبه الموصل في جميع الاتجاهات، بينما يستخدم النقش "الجاف" شعاعًا مباشرًا من الأيونات التي تضرب السطح أثناء نحت نمط موجه. ومثل هذه القوالب مطلوبة لهياكل نانوية عالية الجودة، أو أشكال صغيرة، ذات نسبة كبيرة من الارتفاع إلى العرض. هذه الهياكل ضرورية لتطوير العديد من الأجهزة الإلكترونية الضوئية.
في حين أن السيليكون هو المادة الأكثر شيوعًا في الأجهزة التي تشتمل على أشباه الموصلات، فإن العناصر التي تنتمي إلى المجموعة III-V من الجدول الدوري تكون أكثر فعالية في التطبيقات الإلكترونية البصرية، مثل الخلايا الشمسية أو الليزر. ولسوء الحظ، من الصعب استخدام هذه المواد بطريقة الأكل الجاف، لأن شعاع الأيونات عالي الطاقة يترك السطح شبه الموصل. تعتبر أشباه الموصلات من المجموعة III-V محصنة بشكل خاص ضد هذا النوع من الضرر.
ومن أجل التعامل مع هذه المشكلة، استخدمت مجموعة البحث طريقة النقش الكيميائي بمساعدة المعادن (MacEtch)، وهو أسلوب النقش الرطب الذي سبق لنفس الباحثين تطويره للسيليكون. على عكس الطرق الرطبة الأخرى، تعمل هذه الطريقة في اتجاه واحد، من الأعلى إلى الأسفل. هذه الطريقة أسرع وأقل تكلفة من العديد من طرق الأكل الجاف الأخرى. قامت المجموعة البحثية بتعديل هذه الطريقة من خلال تكييف المحلول الكيميائي وظروف التفاعل مع المجموعة III-V من أشباه الموصلات - زرنيخيد الغاليوم (GaAs).
تتضمن العملية مرحلتين - أولاً، يتم وضع طبقة رقيقة من المعدن فوق سطح زرنيخيد الغاليوم. بعد ذلك، يتم غمس شبه الموصل الذي يتضمن النموذج المعدني في محلول كيميائي MacEtch. يعمل المعدن على تسريع التفاعل بحيث تتعرض المناطق التي تتلامس مع المعدن فقط للتآكل الكيميائي، وبالتالي يتم الحصول على هياكل ذات نسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة. في نهاية تفاعل النقش، يمكن إزالة المعدن من السطح دون الإضرار بأشباه الموصلات. يقول الباحث الرئيسي: "إن القدرة على تناول زرنيخيد الغاليوم بهذه الطريقة يعد إنجازًا كبيرًا".
تعليقات 5
إنه مجرد بيان أولي للمؤلف حول السبب الرئيسي لعدم كفاءة Si في تطبيقات EO الذي أزعجني قليلاً.
إيال،
أنت على حق فيما يتعلق بمسألة السعر، على الرغم من أن GaAs أكثر كفاءة إلا أنها أكثر تكلفة.
في الخلايا الكهروضوئية (PV)، لا تشع الخلية، بل تعمل كوصلة pn حيث يثير الضوء (مع بعض الطيف) الإلكترونات ويخلق فرق جهد (أي الجهد)h
لست متأكدًا، لكنني أعتقد أن حقيقة أن Si يطلق الفونونات بدلاً من الفوتونات لا تزال موجودة في الكهروضوئية (أو على الأرجح غير ذات صلة)ح
ربما خرجت عن المسار في مشاركتي الأولى.... 🙂
تم استخدام الثنائيات والترانزستورات المعتمدة على زرنيخيد الغاليوم لسنوات عديدة في التطبيقات عالية التردد وتقدم مستوى ضوضاء منخفض - وهو معلم مهم في مثل هذه التطبيقات.
زميل،
صادق. ومع ذلك يتم استخدام السيليكون. على الأقل بالنسبة للخلايا الكهروضوئية. إنه أمر مربح، لأن تكنولوجيا السيليكون رخيصة بما فيه الكفاية مقارنة بالإنتاج الباهظ لزرنيخيد الغاليوم.
إن القول بأن III-V أكثر كفاءة من المواد المعتمدة على Si للأغراض الكهربائية الضوئية (EO) ليس دقيقًا تمامًا. بالنسبة إلى EO، تحتاج المادة إلى إطلاق فوتون بشكل عام. من ناحية، GaAs عبارة عن مادة ذات فجوة انفجارية مباشرة، مما يعني أنه لكي ينتقل الإلكترون من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، كل ما يحتاج إليه هو الحصول على الطاقة (وإطلاق الفوتون). من ناحية أخرى، تحتوي المواد المعتمدة على Si على فجوة نطاق غير مباشرة مما يعني أن الإلكترون يجب أن يتمتع بنفس الطاقة كما كان من قبل ولكن أيضًا برقم موجة مختلف (k) مما يعني أنه يجب تغيير الزخم (أي الشغل/الطاقة مطلوب) ؛ تقوم هذه العملية بإصدار الفونونات بشكل افتراضي. ومن ثم، فإن الثنائيات القائمة على Si لا تشع طاقة مثل نظيراتها ذات فجوة النطاق المباشرة.