צוות המחקר פיתח שיטה ליצירה כימית של מערכים מעוצבים במוליך למחצה גאליום ארסניד, החומר המשמש בתאים סולאריים, לייזרים, דיודות פולטות אור, טרנזיסטורים, קבלים וחיישנים
ייצור חומרים מוליכים למחצה עבור התקנים אופטו-אלקטרוניים הפך לפשוט יותר בזכותם של חוקרים מאוניברסיטת אילינוי.
צוות המחקר פיתח שיטה ליצירה כימית של מערכים מעוצבים במוליך למחצה גאליום ארסניד, החומר המשמש בתאים סולאריים, לייזרים, דיודות פולטות אור, טרנזיסטורים, קבלים וחיישנים. החוקרים, בראשות הפרופסור לאלקטרוניקה והנדסת מחשבים Xiuling Li, פרסמו את ממצאיהם בכתב-העת המדעי Nano Letters.
תכונותיו הפיסיקליות של מוליך למחצה יכולות להשתנות בהתאם למבנה שלו, כך ששכבות של מוליכים למחצה מעוצבות לכדי מבנים המכוונים את התכונות האלקטרוניות והאופטיות שלהם לפני הכנסתם לשבבים. ניתן לעצב מוליכים למחצה באמצעות שתי שיטות: איכול “רטוב” שבו נעשה שימוש בתמיסה כימית על מנת לאכל את המוליך למחצה בכל הכיוונים, בעוד שבאיכול “יבש” נעשה שימוש באלומה ישירה של יונים הפוגעים במשטח תוך גילוף של תבנית מוכוונת. תבניות כאלו נדרשות עבור ננו-מבנים איכותיים, או צורות זעירות, בעלות יחס גדול של גובה לרוחב. מבנים אלו הכרחיים לשם הפיתוח של רבים מההתקנים האופטו-אלקטרוניים.
בעוד שסיליקון הוא החומר הנפוץ ביותר בהתקנים הכוללים מוליכים למחצה, יסודות השייכים בטבלה המחזורית לקבוצה III-V יעילים יותר עבור יישומים אופטו-אלקטרוניים, כדוגמת תאים סולאריים או לייזרים. למרבה הצער, קשה להשתמש בחומרים אלו בשיטה של איכול יבש, מאחר והדף אלומת היונים עתירת האנרגיה פוגם במשטח המוליך למחצה. מוליכים למחצה מקבוצת III-V חסינים במיוחד לנזק מסוג זה.
על מנת להתמודד עם בעיה זה, קבוצת המחקר ניצלה שיטה של איכול כימי הנעזר במתכת (MacEtch), גישה של איכול רטוב שאותם החוקרים פיתחו בעבר עבור סיליקון. בניגוד לשיטות רטובות אחרות, שיטה זו פועלת בכיוון אחד, מלמעלה למטה. שיטה זו מהירה יותר ופחות יקרה מרבות משיטות האיכול היבש האחרות. קבוצת המחקר שינתה את השיטה הזו ע”י התאמת התמיסה הכימית ותנאי התגובה למוליך-למחצה מהקבוצהIII-V – גאליום ארסניד (GaAs).
התהליך כולל שני שלבים – ראשית, שכבה דקיקה של מתכת ממוקמת ע”ג משטח הגאליום ארסניד. לאחר מכן, המוליך למחצה הכולל את תבנית המתכת נטבל בתמיסה כימית מסוג MacEtch. המתכת מזרזת את התגובה כך שרק האזורים הבאים במגע עם המתכת עוברים איכול כימי, וכך מתקבלים מבנים בעלי יחס גובה-רוחב גדולים. בגמר תגובת האיכול, ניתן להסיר את המתכת מפני המשטח מבלי לפגום במוליך למחצה. “היכולת לאכל גאליום ארסניד בשיטה זו היא הישג נכבד,” מציינת החוקרת הראשית.
5 תגובות
It’s just the the author’s initial statement about the primary reason of Si inefficiencies in EO applications bugged me a little.
Eyal,
you are right about the price issue, although GaAs is more efficient it’s more expensive.
In PhotoVoltaic (PV), the cell doesn’t radiate, it acts as a pn junction where light (with some spectrum) excite electrons and create a potential difference (i.e. voltage)h
I’m not sure, but I think that the fact that Si releases phonons instead of photons still holds in PV(or more likely irrelevant)h
Maybe i went off track with my first post…. 🙂
דיודות וטרנזיסטורים מבוססי גליום ארסנייד משמשים שנים רבות בישומי תדר גבוה ומציגים ספרת רעש נמוכה – פרמטר חשוב ביישומים כאלה.
עמית,
צודק. ובכל זאת משתמשים בסיליקון. לפחות עבור תאים פוטווולטאיים. זה פשוט משתלם, כי טכנולוגיית הסיליקון זולה במידה מספקת לעומת הייצור היקר של גליום ארסניד.
The statement that III-V is more efficient the Si based materials for Electro-Optic (EO) purposes is not entirely accurate. For EO the material needs to release a photon, in general. On one hand, GaAs is a direct bang gap material, which means that in order for an electron to go from the valance band to the conduction band all it needs to do is to acquire energy (and release a photon). On the other hand, Si based materials have indirect band gap which means that an electron will have to have same energy as before BUT also a different wave number (k) which means that the momentum must be changed (i.e. work/ energy is required); this process releases phonons by default. Hence, Si based diodes don’t radiate energy like their direct band gap counter parts.