Material Baru yang Revolusioner – Silikon Hitam
Silikon hitam adalah jenis material silikon baru dengan sifat optoelektronik yang sangat baik. Artikel ini merangkum penelitian tentang silikon hitam oleh Eric Mazur dan peneliti lain dalam beberapa tahun terakhir, merinci mekanisme persiapan dan pembentukan silikon hitam, serta sifat-sifatnya seperti penyerapan, luminesensi, emisi medan, dan respons spektral. Artikel ini juga menunjukkan potensi aplikasi penting silikon hitam dalam detektor inframerah, sel surya, dan layar panel datar.
Silikon kristalin banyak digunakan dalam industri semikonduktor karena keunggulannya seperti kemudahan pemurnian, kemudahan doping, dan ketahanan terhadap suhu tinggi. Namun, ia juga memiliki banyak kekurangan, seperti reflektivitas cahaya tampak dan inframerah yang tinggi pada permukaannya. Selain itu, karena celah pita energinya yang besar,silikon kristalSilikon tidak dapat menyerap cahaya dengan panjang gelombang lebih besar dari 1100 nm. Ketika panjang gelombang cahaya datang lebih besar dari 1100 nm, penyerapan dan laju respons detektor silikon sangat berkurang. Material lain seperti germanium dan indium gallium arsenide harus digunakan untuk mendeteksi panjang gelombang ini. Namun, biaya yang tinggi, sifat termodinamika dan kualitas kristal yang buruk, serta ketidakcocokan dengan proses silikon yang sudah mapan membatasi penerapannya pada perangkat berbasis silikon. Oleh karena itu, mengurangi refleksi permukaan silikon kristal dan memperluas rentang panjang gelombang deteksi fotodetektor berbasis silikon dan yang kompatibel dengan silikon tetap menjadi topik penelitian yang hangat.
Untuk mengurangi pantulan permukaan silikon kristalin, banyak metode dan teknik eksperimental telah digunakan, seperti fotolitografi, etsa ion reaktif, dan etsa elektrokimia. Teknik-teknik ini, sampai batas tertentu, dapat mengubah morfologi permukaan dan dekat permukaan silikon kristalin, sehingga mengurangi pantulan.silikon Refleksi permukaan. Dalam rentang cahaya tampak, mengurangi refleksi dapat meningkatkan penyerapan dan meningkatkan efisiensi perangkat. Namun, pada panjang gelombang di atas 1100 nm, jika tidak ada tingkat energi penyerapan yang dimasukkan ke dalam celah pita silikon, pengurangan refleksi hanya menyebabkan peningkatan transmisi, karena celah pita silikon pada akhirnya membatasi penyerapannya terhadap cahaya panjang gelombang. Oleh karena itu, untuk memperluas rentang panjang gelombang sensitif perangkat berbasis silikon dan yang kompatibel dengan silikon, perlu untuk meningkatkan penyerapan foton di dalam celah pita sambil secara bersamaan mengurangi refleksi permukaan silikon.
Pada akhir tahun 1990-an, Profesor Eric Mazur dan rekan-rekannya di Universitas Harvard memperoleh material baru—silikon hitam—selama penelitian mereka tentang interaksi laser femtosekon dengan materi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Saat mempelajari sifat fotolistrik silikon hitam, Eric Mazur dan rekan-rekannya terkejut menemukan bahwa material silikon berstruktur mikro ini memiliki sifat fotolistrik yang unik. Material ini menyerap hampir semua cahaya dalam rentang ultraviolet dekat dan inframerah dekat (0,25–2,5 μm), menunjukkan karakteristik luminesensi tampak dan inframerah dekat yang sangat baik serta sifat emisi medan yang baik. Penemuan ini menyebabkan sensasi di industri semikonduktor, dengan majalah-majalah besar berlomba-lomba untuk melaporkannya. Pada tahun 1999, majalah Scientific American dan Discover, pada tahun 2000 bagian sains Los Angeles Times, dan pada tahun 2001 majalah New Scientist semuanya menerbitkan artikel unggulan yang membahas penemuan silikon hitam dan potensi aplikasinya, meyakini bahwa material ini memiliki nilai potensial yang signifikan di bidang-bidang seperti penginderaan jauh, komunikasi optik, dan mikroelektronika.
Saat ini, T. Samet dari Prancis, Anoife M. Moloney dari Irlandia, Zhao Li dari Universitas Fudan di Tiongkok, dan Men Haining dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok telah melakukan penelitian ekstensif tentang silikon hitam dan mencapai hasil awal. SiOnyx, sebuah perusahaan di Massachusetts, AS, bahkan telah mengumpulkan modal ventura sebesar $11 juta untuk berfungsi sebagai platform pengembangan teknologi bagi perusahaan lain, dan telah memulai produksi komersial wafer silikon hitam berbasis sensor, bersiap untuk menggunakan produk jadi dalam sistem pencitraan inframerah generasi berikutnya. Stephen Saylor, CEO SiOnyx, menyatakan bahwa keunggulan biaya rendah dan sensitivitas tinggi dari teknologi silikon hitam pasti akan menarik perhatian perusahaan yang berfokus pada pasar penelitian dan pencitraan medis. Di masa depan, teknologi ini bahkan mungkin memasuki pasar kamera digital dan camcorder bernilai miliaran dolar. SiOnyx juga saat ini sedang bereksperimen dengan sifat fotovoltaik silikon hitam, dan sangat mungkin bahwasilikon hitamakan digunakan dalam sel surya di masa depan. 1. Proses Pembentukan Silikon Hitam
1.1 Proses Persiapan
Pelat silikon kristal tunggal dibersihkan secara berurutan dengan trikloroetilen, aseton, dan metanol, kemudian ditempatkan pada panggung target yang dapat digerakkan secara tiga dimensi di dalam ruang vakum. Tekanan dasar ruang vakum kurang dari 1,3 × 10⁻² Pa. Gas kerja dapat berupa SF₆, Cl₂, N₂, udara, H₂S, H₂, SiH₄, dll., dengan tekanan kerja 6,7 × 10⁴ Pa. Sebagai alternatif, lingkungan vakum dapat digunakan, atau bubuk unsur S, Se, atau Te dapat dilapisi pada permukaan silikon dalam vakum. Panggung target juga dapat direndam dalam air. Pulsa femtosekon (800 nm, 100 fs, 500 μJ, 1 kHz) yang dihasilkan oleh penguat regeneratif laser Ti:sapphire difokuskan oleh lensa dan disinari secara tegak lurus ke permukaan silikon (energi keluaran laser dikendalikan oleh attenuator, yang terdiri dari pelat setengah gelombang dan polarisator). Dengan menggerakkan tahap target untuk memindai permukaan silikon dengan titik laser, material silikon hitam area luas dapat diperoleh. Mengubah jarak antara lensa dan wafer silikon dapat menyesuaikan ukuran titik cahaya yang disinari pada permukaan silikon, sehingga mengubah fluks laser; ketika ukuran titik konstan, mengubah kecepatan gerak tahap target dapat menyesuaikan jumlah pulsa yang disinari pada area satuan permukaan silikon. Gas kerja sangat memengaruhi bentuk mikrostruktur permukaan silikon. Ketika gas kerja konstan, mengubah fluks laser dan jumlah pulsa yang diterima per satuan luas dapat mengontrol tinggi, rasio aspek, dan jarak antar struktur mikro.
1.2 Karakteristik Mikroskopis
Setelah iradiasi laser femtosekon, permukaan silikon kristal yang awalnya halus menunjukkan susunan struktur kerucut kecil yang tersusun hampir teratur. Puncak kerucut berada pada bidang yang sama dengan permukaan silikon yang tidak diiradiasi di sekitarnya. Bentuk struktur kerucut berkaitan dengan gas kerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, di mana struktur kerucut yang ditunjukkan pada (a), (b), dan (c) terbentuk dalam atmosfer SF₆, S, dan N₂, masing-masing. Namun, arah puncak kerucut tidak bergantung pada gas dan selalu mengarah ke arah datangnya laser, tidak terpengaruh oleh gravitasi, dan juga tidak bergantung pada jenis doping, resistivitas, dan orientasi kristal silikon; dasar kerucut tidak simetris, dengan sumbu pendeknya sejajar dengan arah polarisasi laser. Struktur kerucut yang terbentuk di udara adalah yang paling kasar, dan permukaannya ditutupi dengan nanostruktur dendritik yang lebih halus berukuran 10–100 nm.
Semakin tinggi fluks laser dan semakin banyak pulsa, semakin tinggi dan lebar struktur kerucut yang terbentuk. Dalam gas SF6, tinggi h dan jarak d dari struktur kerucut memiliki hubungan nonlinier, yang dapat dinyatakan secara perkiraan sebagai h∝dp, di mana p=2,4±0,1; baik tinggi h maupun jarak d meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan fluks laser. Ketika fluks meningkat dari 5 kJ/m² menjadi 10 kJ/m², jarak d meningkat 3 kali lipat, dan dikombinasikan dengan hubungan antara h dan d, tinggi h meningkat 12 kali lipat.
Setelah anil suhu tinggi (1200 K, 3 jam) dalam vakum, struktur kerucut darisilikon hitamTidak terjadi perubahan signifikan, tetapi nanostruktur dendritik 10–100 nm pada permukaan berkurang drastis. Spektroskopi penyaluran ion menunjukkan bahwa ketidakteraturan pada permukaan kerucut menurun setelah anil, tetapi sebagian besar struktur yang tidak teratur tidak berubah dalam kondisi anil ini.
1.3 Mekanisme Pembentukan
Saat ini, mekanisme pembentukan silikon hitam masih belum jelas. Namun, Eric Mazur dkk. berspekulasi, berdasarkan perubahan bentuk mikrostruktur permukaan silikon dengan atmosfer kerja, bahwa di bawah stimulasi laser femtosecond intensitas tinggi, terjadi reaksi kimia antara gas dan permukaan silikon kristal, yang memungkinkan permukaan silikon terukir oleh gas tertentu, membentuk kerucut tajam. Eric Mazur dkk. mengaitkan mekanisme fisik dan kimia pembentukan mikrostruktur permukaan silikon dengan: peleburan dan ablasi substrat silikon yang disebabkan oleh pulsa laser fluks tinggi; pengukiran substrat silikon oleh ion dan partikel reaktif yang dihasilkan oleh medan laser yang kuat; dan rekristalisasi bagian substrat silikon yang terablasi.
Struktur kerucut pada permukaan silikon terbentuk secara spontan, dan susunan yang hampir teratur dapat dibentuk tanpa masker. MY Shen dkk. menempelkan jaring tembaga mikroskop elektron transmisi setebal 2 μm ke permukaan silikon sebagai masker, dan kemudian menyinari wafer silikon dalam gas SF6 dengan laser femtosekon. Mereka memperoleh susunan struktur kerucut yang sangat teratur pada permukaan silikon, sesuai dengan pola masker (lihat Gambar 4). Ukuran apertur masker sangat memengaruhi susunan struktur kerucut. Difraksi laser insiden oleh apertur masker menyebabkan distribusi energi laser yang tidak seragam pada permukaan silikon, menghasilkan distribusi suhu periodik pada permukaan silikon. Hal ini pada akhirnya memaksa susunan struktur permukaan silikon menjadi teratur.