Vorming en evaluatie van siliciumsubstraat met sterk gedoteerde poreuze Si-lagen gevormd door metaalondersteund chemisch etsen

Abstract

Poreus silicium (Si) is een materiaal met een lage thermische geleidbaarheid, dat een hoog potentieel heeft voor thermo-elektrische apparaten. Een lage outputprestatie van poreus Si belemmert echter de ontwikkeling van thermo-elektrische prestaties vanwege de lage elektrische geleidbaarheid. De grote contactweerstand van niet-lineair contact tussen poreus Si en metaal is een reden voor de vermindering van de elektrische geleidbaarheid. In dit artikel, p - en n poreus Si van het type werden gevormd op Si-substraat door middel van metaal-geassisteerd chemisch etsen. Om de contactweerstand te verminderen, p - en n -type spin op doteermiddelen worden gebruikt om een onzuiverheidselement in p te doteren - en n -type poreus Si-oppervlak, respectievelijk. Vergeleken met het Si-substraat met ongedoteerde poreuze monsters, kan ohms contact worden verkregen en de elektrische geleidbaarheid van gedoteerde p - en n -type poreus Si kan worden verbeterd tot respectievelijk 1160 en 1390 S/m. In vergelijking met het Si-substraat zijn de speciale contactweerstanden voor de gedoteerde p - en n -type poreuze Si-laag neemt af tot 1,35 en 1,16 mΩ/cm² respectievelijk door de dragerconcentratie te verhogen. De toename van de dragerconcentratie induceert echter de afname van de Seebeck-coëfficiënt voor p - en n -type Si-substraten met gedoteerde poreuze Si-monsters tot respectievelijk 491 en 480 μV/K. De arbeidsfactor is gerelateerd aan de Seebeck-coëfficiënt en elektrische geleidbaarheid van thermo-elektrisch materiaal, wat een essentiële factor is die de uitvoerprestaties evalueert. Daarom, hoewel de Seebeck-coëfficiëntwaarden van Si-substraten met gedoteerde poreuze Si-monsters afnemen, kan de gedoteerde poreuze Si-laag de arbeidsfactor verbeteren in vergelijking met niet-gedoteerde monsters vanwege de verbetering van de elektrische geleidbaarheid, wat de ontwikkeling voor thermo-elektrische toepassing vergemakkelijkt.

Inleiding

Tegenwoordig wordt de omzetting van thermo-elektrische energie, die verloren warmte kan omzetten in elektrische energie, beschouwd als een belangrijke technologie om de druk van energietekorten te verlichten door de efficiëntie van het energiegebruik te verhogen [1]. Vooral voor de toekomstige informatiecommunicatiemaatschappij is er veel vraag naar verschillende sensortoepassingen [2, 3]. Microfabricagetechnologieën op basis van thermo-elektrische materialen zijn bestudeerd om zeer efficiënte en compacte thermo-elektrische apparaten te realiseren [4,5,6]. De thermo-elektrische prestaties van thermo-elektrische materialen worden beoordeeld door de verdienste ZT = бS ² T/к , waar б is elektrische geleidbaarheid, S Seebeck-coëfficiënt, T absolute temperatuur, en к thermische geleidbaarheid [7]. De arbeidsfactor, бS ² , is het maximaal gegenereerde vermogen van een materiaal en wordt dus gebruikt om de outputprestaties te schatten.

Gebruikelijke thermo-elektrische materialen, zoals Bi₂ Te₃ en Sb₂ Te₃ , bevatten zeldzame en giftige materialen, die de productie op grote schaal bemoeilijken. Si wordt beschouwd als een van de alternatieve kandidaten om toe te passen op thermo-elektrische apparaten omdat het overvloedig aanwezig is en veel wordt gebruikt in de halfgeleiderindustrie [8]. Si is echter geen ideaal thermo-elektrisch materiaal vanwege zijn hoge thermische geleidbaarheid (~ 150 W/mK) en lage ZT waarde (0,006) [9]. Onlangs is aangetoond dat nanogestructureerd Si de thermische geleidbaarheid verlaagt tot 1,6 W/mK en vervolgens de ZT verbetert. waarde op 0,6 bij 300 K [10]. Thermo-elektrische generatoren op basis van Si-nanodraden zijn onlangs met succes gefabriceerd [11, 12]. De prestaties van die thermo-elektrische generatoren zijn echter nog steeds laag omdat de Si-nanodraadarrays moeilijk de uniforme diameter en het gladde oppervlak kunnen garanderen, die sterk gerelateerd zijn aan de ZT waarde.

Poreus Si, als een van de Si-nanostructuren, wordt beschouwd als een van de kandidaten voor thermo-elektrische materialen uit theoretische en experimentele werken [13,14,15]. Onvoldoende uitvoerprestaties van poreus Si beperken echter de ontwikkeling van thermo-elektrische apparaten vanwege de lage elektrische geleidbaarheid. Veel werken vonden dat het elektrische contact tussen een metaal en het poreuze Si niet-lineair gedrag vertoont vanwege de potentiële energiebarrière tussen metaal en poreus Si [16, 17]. De reden is dat de grote oppervlaktetoestanden op poreus Si en het oppervlakte-invangende effect de uitputting van de dragerconcentratie op het oppervlak van het poreuze Si veroorzaken [18]. Het is een uitdaging om thermo-elektrische generatoren te fabriceren omdat er een groot parasitair verlies ontstaat door de elektrische weerstand op het grensvlak [19]. Bovendien vermindert deze toename van de barrière ook de schijnbare elektrische geleidbaarheid van poreus Si tot verschillende grootteordes vergeleken met die van bulk Si, wat resulteert in een lage arbeidsfactor [20].

Dotering van onzuiverheden met behulp van een spin-on-doteringsmiddel (SOD) is een methode voor oppervlaktemodificatie om de elektrische geleidbaarheid te verhogen door de dragerconcentratie op het Si-oppervlak te verhogen. In tegenstelling tot ionenimplantatie is onzuiverheidsdoping met SOD minder schadeproces [21]. Sommige werken hebben aangetoond dat een Si-nanodraad gedoteerd door SOD een hoge elektrische geleidbaarheid vertoont [22, 23]. Boor et al. ontdekte dat de elektrische geleidbaarheid van een poreuze Si-film gevormd door de elektrochemische methode kan worden verbeterd na doping met SOD [24]. De elektrische contactkarakteristiek van poreus Si gedoteerd met SOD is echter niet onderzocht in eerdere studies en is een belangrijke parameter voor thermo-elektrische apparaten. Bovendien is het onderzoek naar het SOD-dopingeffect op de uitvoerprestaties van Si-substraat met een poreuze Si-laag zeldzaam. Anders dan bij de elektrochemische methode, gebruikten we metal-assisted chemical etching (MACE) om poreus Si te vormen. MACE is een eenvoudige en in massa produceerbare methode met behulp van een nat-etstechniek, die verschillende nanostructuren kan synthetiseren, waaronder Si-nanodraad en poreus Si [25,26,27]. Bovendien kan het rechte nanoporiën vormen met een hogere etssnelheid dan die van andere methoden.

In deze studie, p - en n -type Si-substraat met poreuze Si-lagen werden gevormd door MACE, en de Seebeck-coëfficiënt, elektrische geleidbaarheid en elektrisch contact werden geëvalueerd op de poreuze Si-lagen gedoteerd met verschillende soorten SOD. Ten eerste, de Seebeck-coëfficiënt van p - en n- type poreus Si gevormd door MACE werden onderzocht en de dragerconcentratie van de gedoteerde laag met SOD werd geëvalueerd om het doteringseffect te verifiëren. Vervolgens werden de elektrische geleidbaarheid en contactkarakteristieken van Si-substraten met gedoteerde poreuze Si-lagen gemeten met behulp van stroom-spanningskarakteristieken. Bovendien werd het elektrisch contact tussen metaal en gedoteerde poreuze Si-laag geëvalueerd in termen van speciale contactweerstand. Tot slot, de powerfactoren van p - en n -type Si-substraten met gedoteerde poreuze Si-lagen werden geëvalueerd en vergeleken met niet-gedoteerde monsters.

Methoden

(100)-georiënteerde p -type (10,0 mΩ-cm) en n -type (10,0 mΩ-cm) Si-substraten met een afmeting van 2 × 2 cm² werden achtereenvolgens gereinigd in aceton, ethanol, gedeïoniseerd water en piranha-oplossing (H₂ SO₄ :H₂ O₂ in de volumeverhouding van 2:1). Dan, de p - en n poreuze Si-lagen van het type werden als volgt gevormd op de Si-substraten door middel van het MACE-proces. Eerst werden Si-substraten ondergedompeld in een mengsel van 0,14 M HF en 5 × 10^–4 M AgNO₃ oplossingen gedurende 7 minuten bij kamertemperatuur. In deze procedure werden Ag-nanodeeltjes, met een diameter variërend van 80 tot 180 nm, op het Si-oppervlak afgezet, zoals weergegeven in Fig. 1. Vervolgens werden Si-substraten afgezet met Ag-nanodeeltjes ondergedompeld in een etsoplossing die 25 ml 49% HF-oplossing, 10 ml 35% H₂ O₂ oplossing en 5 ml gedeïoniseerd water in een volumeverhouding van 5:2:1 bij kamertemperatuur. De etsreactie verloopt met elektrische lokale anodisatie- en oxideverwijderingsprocessen. De Ag-nanodeeltjes oxideren onmiddellijk het Si-oppervlak aan het grensvlak door lokale anodisatie en het oxide wordt geëtst door HF in de oplossing. Naarmate het etsen vordert, dringen de Ag-nanodeeltjes in Si voor verder etsen. Er wordt dus een poreuze Si-laag gevormd. Het is gemeld dat de poreuze vormingssnelheid voor p -type Si is langzamer dan dat voor n -type Si [28]. De dikte van poreus Si wordt geregeld door de etstijd. In onze experimenten was de etstijd van p -type Si is geselecteerd op 2 min 40 s, terwijl die van n -type Si wordt gedurende 2 minuten verwerkt om ongeveer 20 μm poreuze Si-film te verkrijgen. Ten slotte werden de Si-substraten gereinigd met 10% salpeterzuur om de Ag-nanodeeltjes te verwijderen, gevolgd door reiniging met gedeïoniseerd water. De porositeit van de poreuze Si-laag wordt als volgt gedefinieerd,

$${\rm{Porositeit}} =\frac{{m_{1} - m_{2} }}{pv}$$ (1)

waar m ₁ is de massa van het initiële monster, m ₂ is de massa van het monster na vorming van de poreuze Si-laag, p, v is de dichtheid en het volume van de originele geëtste monokristallijne Si-laag. De morfologieën van de poreuze Si-film werden waargenomen door veldemissie scanning elektronenmicroscopen (FE-SEM).

Si-substraat met poreus Si-laagvormingsproces met behulp van metaal-geassisteerd chemisch etsen. een Si-substraat schoongemaakt. b Ag nanodeeltjes afzetting. c etsen met een HF-oplossing. d Verwijdering van zilveren nanodeeltjes

Afbeelding 2a, b toont de dwarsdoorsnede-afbeeldingen van p - en n -type poreuze Si-films gevormd door MACE. De dikte van p - en n -type poreuze Si-films is ongeveer 20 m, wat wordt aangepast door de etstijd. De gemiddelde poriediameters van p - en n -type poreuze Si-films zijn respectievelijk 130 nm en 125 nm en de porositeiten van p - en n -type poreuze Si-films zijn respectievelijk 35% en 31%.

Microstructuren van poreuze Si-lagen voor a p -type en b n -type

De onzuiverheden van boor of fosfor werden in de poreuze Si-laag gedoteerd om p te vormen -type of n -type Si-laag, respectievelijk, met behulp van een SOD (Filmtronics Inc. USA). SOD werd op het oppervlak gecoat door middel van spincoating bij 3000 rpm gedurende 30 seconden. Vervolgens werd het monster gedurende 15 minuten bij 110 ° C gebakken om de SOD-film te harden. Daarna werden de monsters in een oven met kwartsbuis geplaatst en gedurende 3 uur bij 1100 °C gegloeid in N₂ omgeving om de doteringsatomen in poreus Si te diffunderen. Ten slotte werden de monsters ondergedompeld in een HF-oplossing om SiO₂ . te verwijderen en maak het oppervlak schoon. Om het doteringseffect op de poreuze Si-laag te valideren, werd de dragerconcentratie van niet-gedoteerde en gedoteerde poreuze Si-laag gemeten met een Hall Effect-meetsysteem [17].

Twee metalen elektrodepatronen werden afzonderlijk gevormd op de poreuze Si-film en de achterkant van het Si-substraat voor het meten van de cross-plane Seebeck-coëfficiënt van de monsters bij kamertemperatuur, zoals weergegeven in figuur 3a. De poreuze Si-laag werd gevormd op het halve gebied van de Si-wafel en het resterende deel van Si werd 30 m diep geëtst met behulp van diepe reactieve ionenetsing (RIE). Dan, 1 µm dik SiO₂ film werd op het oppervlak afgezet door tetraethoxysilaan chemische dampafzetting (TEOS-CVD) om het warmteverlies naar de omgevingsatmosfeer te verminderen. Twee 1 × 1 mm² vierkante contactvensters werden gevormd op de SiO₂ film. Daarna twee 1 × 2 mm² - Rechthoekige 300 nm dikke Ti-Au-elektroden werden gevormd door elektronenstraalverdamping voor contactkussens. Ten slotte werden twee commerciële Peltier-elementen in contact gebracht met het Si-substraat om een temperatuurgradiënt langs in-plan richting te creëren. De temperaturen T ₁ en T ₂ bij twee elektroden werden gemeten door thermokoppels en het temperatuurverschil ΔT waren verkregen. De gegenereerde spanning ΔV werd gemeten met een elektrometer. De Seebeck-coëfficiënt van het monster werd verkregen uit de onderstaande vergelijking:

$$S =- \frac{\Delta V}{{\Delta T}}$$ (2)

een Illustratie van het apparaat voor de Seebeck-coëfficiëntmeting; afbeelding van het apparaat voor de elektrische geleidbaarheid en speciale contactweerstandsmeting:b Si-substraat; c Si-substraat met poreuze Si-laag

De huidige (I )–spanning (V ) kenmerken werden gemeten voor p -type bulk Si, n -type bulk Si, en gedoteerd/ongedopeerd poreus Si met behulp van laterale en verticale meetconfiguraties, zoals getoond in Fig. 3b, c. Drie 200 nm dikke Al-elektroden ('1,' '2,' '3') met een afmeting van 0,6 × 0,6 mm² werden gevormd aan de bovenzijde van bulk Si-monsters en ook een Al-elektrode ('4') werd ook aan de achterkant gevormd, zoals weergegeven in Fig. 3b. Om het elektrisch contact te maken werd met een zilverpasta een koperdraad op de elektrode ‘4’ gelijmd. De hart-op-hart afstand tussen Al-elektroden '12,' '23', '13' waren respectievelijk 0,2, 0,3, 0,56 cm. De bulk Si-monsters werden gedurende 30 minuten bij 450 uitgegloeid om het ohmse contact tussen Al en Si te bevestigen. Om speciale contactweerstand te meten, werden de laterale weerstanden tussen drie elektroden gemeten met behulp van een zeer gevoelige sonde. Om de verticale elektrische geleidbaarheid van het bulk Si-substraat te meten, werd de elektrische geleidbaarheid tussen Al-elektroden '2'–'4' gemeten. Om de elektrische eigenschappen van de poreuze Si-monsters met en zonder doping te meten, wordt een 2 μm dikke SiO₂ laag werd afgezet op de poreuze Si-film door tetraethylorthosilicaat CVD (TEOS-CVD) om mechanische schade aan de poreuze Si-laag door de elektrische sonde te voorkomen. Drie 0,6 × 0,6 mm² SiO₂ vensters werden gevormd door het etsen van de SiO₂ laag gedeeltelijk met behulp van een gebufferde HF om elektrisch contact te maken. Vervolgens drie 1,0 × 0,6 mm² Al-elektroden werden gevormd op de SiO₂ laag samen met de SiO₂ vensters, zoals weergegeven in Fig. 3c. De sonde kan dus fysiek contact maken met de verlengde Al-elektroden om elektrisch contact te maken met de poreuze Si-film.

Resultaten en discussie

Figuur 4 laat zien dat het gegenereerde voltage versus temperatuurverschil op het Si-substraat met gedoteerde en niet-gedoteerde poreuze Si-monsters. De berekende Seebeck-coëfficiëntwaarden van verschillende monsters zijn weergegeven in tabel 1. De Seebeck-coëfficiënt voor de bulk p en n-type Si zijn respectievelijk 450 en 485 μV/K en de Seebeck-coëfficiënt voor p en n -type Si-substraten met het ongedoteerde poreuze Si-monster vertonen hogere waarden van respectievelijk 696 en 650 μV/K. Deze reden van het verschil in Seebeck-coëfficiënt is te wijten aan het energiefiltereffect en het oppervlakteverstrooiingseffect [29,30,31]. Na het dopingproces, de Seebeck-coëfficiënt van p en n type Si-substraten met de gedoteerde poreuze Si-monsters neemt af tot 491 en 480 μV / K vanwege de toename van de dragerconcentratie op de gedoteerde poreuze Si-lagen. Voor een volledig gedoteerd poreus Si-monster is de gedoteerde poreuze Si-laag echter dun en is het resterende deel van de poreuze Si-laag nog steeds niet gedoteerd. Daarom, hoewel de dragerconcentratie van gedoteerde poreuze Si-laag hoger is dan die van bulk Si, ligt de Seebeck-coëfficiënt van geheel gedoteerd poreus Si-monster (gedoteerde poreuze Si-laag + niet-gedoteerde poreuze Si-laag) dicht bij die in de bulk Si-monsters.

Gegenereerde spanning versus temperatuurverschil op Si-substraten met de gedoteerde en niet-gedoteerde n- en p-type poreuze Si-lagen

Over het algemeen is de Seebeck-coëfficiënt samengesteld uit het ladingsdiffusiedeel S _d en phonon drag part S _ph . Omdat alle monsters sterk gedoteerd zijn (~ 10¹⁸ ) en de metingen worden gedaan bij kamertemperatuur, de S _ph waarde is veel kleiner dan S _d , wat resulteert in S ≈ S _d [32]. De Seebeck-coëfficiënt kan dus ook worden weergegeven als fellows [33],

$$S =\frac{{8\pi^{2} k_{{\rm{B}}}^{2} T}}{{3qh^{2} }}m^{*} \left( { \frac{\pi }{3n}} \right)^{2}$$ (3)

waar k _B is Boltzmann-constante, h is de constante van Planck, T is absolute temperatuur, m * is de effectieve massa van de toestand, q is de elektronenlading en n is de dragerconcentratie. Daarom dragerconcentratie n is een belangrijke factor die de waarde van de Seebeck-coëfficiënt bepaalt.

Om de relatie tussen de dragerconcentratie en de Seebeck-coëfficiënt beter te begrijpen, is de dragerconcentratie van p en n -type gedoteerde en niet-gedoteerde poreuze Si-lagen werden gemeten door middel van Hall-meting. De dragerconcentratie van p en n -type ongedoteerde poreuze Si-lagen blijken 1,3 × 10¹⁸ te zijn en 1,35 × 10¹⁸ cm⁻³ , respectievelijk, terwijl de dragerconcentratie van p - en n -type gedoteerde poreuze Si-laag wordt verhoogd tot 4,6 × 10¹⁹ en 2,3 × 10¹⁹ cm⁻³ na SOD-doping. Als referentie is de dragerconcentratie van p - en n -type Si-substraat is 2,3 × 10¹⁹ en 9,0 × 10¹⁸ cm⁻³ , respectievelijk. De Seebeck-coëfficiënt van Si-substraat met gedoteerde poreuze Si-monsters neemt af door de toename van de dragerconcentratie veroorzaakt door gedoteerde poreuze Si-laag.

Afbeelding 5a toont de I –V krommen van p - en n -type bulk Si-lagen in de richting van de wafeldikte. De totale weerstanden van p - en n -type bulk Si-lagen zijn 1,12 en 0,65 , terwijl de geschatte inwendige weerstand van p - en n -type bulk Si is beide slechts 0,08; dus de totale weerstanden van p - en n -type bulk Si-lagen worden voornamelijk bepaald door contactweerstand. Sinds p - en n -type bulk Si-substraten zijn beide sterk gedoteerd (~ 10¹⁹ ), zou het elektrische contact tussen het Al-pad en het Si-substraat ohms contact zijn. Echter, ik –V kenmerken van p - en n -type Si-substraten met ongedoteerde poreuze Si-lagen vertonen een niet-lineaire curve, zoals weergegeven in figuur 5b. In dit geval hebben we de elektrische geleidbaarheid van deze monsters bepaald op basis van de gradiënt van I –V kromme bij een bepaalde spanning van 1 V. Een van de redenen voor dit niet-lineaire gedrag is dat de oppervlakte-tot-volumeverhouding toeneemt in nanostructuren en een groot aantal oppervlakte-energietoestanden wordt gevormd op het oppervlak van ongedoteerde poreuze Si-lagen, dus de niet-lineariteit wordt veroorzaakt door kwantumbeperkingseffect [34]. In tegenstelling tot bulk Si, moeten de elektronen meer energie hebben om door het Al-poreuze Si-interface te reizen, wat de contactweerstand verhoogt en de totale elektrische geleidbaarheid verlaagt. Bovendien hebben andere factoren, zoals metastabiel gehydrogeneerd oppervlak en natuurlijk oxide, effect op de elektrische eigenschappen van poreus Si, wat ook kan bijdragen aan de enorme dalingen van de elektrische geleidbaarheid [35, 36]. Na de SOD-doping wordt ohms contact verkregen voor p - en n -type Si-substraten met gedoteerd poreus Si, als de lineaire I –V curve wordt getoond in Fig. 5a, en de elektrische geleidbaarheid van p -type en n-type Si-substraten met gedoteerde poreuze Si-lagen nemen toe van respectievelijk 150 tot 1160 en 385 tot 1390 S/m, zoals weergegeven in Tabel 1. De toename van de elektrische geleidbaarheid is voornamelijk het gevolg van de afname van de contactweerstand omdat de SOD-doping tast vooral het oppervlak van poreus Si aan. Na de SOD-doping, dunne p ⁺ of n ⁺ poreuze Si-lagen worden gevormd op p - en n -type poreuze Si-lagen, respectievelijk, en de dragerconcentratie kan oplopen tot ongeveer 10¹⁹ cm⁻³ . Daarom kunnen elektronen door het grensvlak tussen Al en gedoteerd poreus Si tunnelen, ongeacht de potentiële barrière [37].

Geëvalueerd Ik –V kenmerken van de proefstukken. een p - en n -type bulk Si en Si-substraat met gedoteerd poreus Si. b p - en n -type Si-substraat met ongedoteerd poreus Si

Om de elektrische eigenschappen van de testmonsters te evalueren, wordt de specifieke contactweerstand geëvalueerd op basis van de transmissielijnmeting (TLM)-theorie, die wordt gedefinieerd als een contactweerstand per oppervlakte-eenheid [38]. In de TLM-theorie is de totale weerstand R kan worden berekend door,

$$R =2R_{{\rm{c}}} + \frac{{p_{i} }}{A}L$$ (4)

waar R _c is de contactweerstand, p _ik de inwendige weerstand van het monster, L de opening tussen twee elektroden, en A de dwarsdoorsnede. De specifieke contactweerstand p _c kan worden gedefinieerd als p _c = R _c × A . Daarom, vgl. 4 kan worden geconverteerd door oppervlakte A . te vermenigvuldigen in,

$$RA =2p_{c} + p_{i} L$$ (5)

Wanneer de waarde L nadert 0, R wordt tweemaal de contactweerstand. Dus, p _c kan worden geschat op basis van de relatie tussen RA (totale weerstand vermenigvuldigd met dwarsdoorsnede) en L , zoals weergegeven in Fig. 6. Dus de specifieke contactweerstand p _c kan worden verkregen uit de helft van de geëxtrapoleerde waarde bij L = 0. Sinds de I –V krommen zijn niet-lineair, de specifieke contactweerstanden van ongedoteerd poreus Si kunnen niet worden gemeten. De berekende specifieke contactweerstanden van p - en n - type gedoteerd poreus Si waren 1,35 en 1,16 mΩ-cm² , respectievelijk, terwijl p - en n - type bulk Si was 1,88 en 1,25 mΩ-cm² , respectievelijk. Dit resultaat laat zien dat p - en n -type gedoteerd poreus Si had een lagere specifieke contactweerstand dan p - en n - type bulk Si. Daarom wordt, vergeleken met Si-substraat met ongedoteerd poreus Si, een lagere contactweerstand tussen gedoteerd poreus Si en metaal toegeschreven aan de verbetering van de elektrische geleidbaarheid van Si-substraat met gedoteerd poreus Si.

Relatie tussen L en RA . een p -type bulk Si en Si-substraat met gedoteerd poreus Si. b n -type bulk Si en Si-substraat met gedoteerd poreus Si

Tabel 1 toont de arbeidsfactor van p - en n - type bulk Si en Si-substraten met ongedoteerde en gedoteerde poreuze Si-laag. Hoewel de Seebeck-coëfficiënt van p - en n - type Si-substraten met poreus Si nemen beide af via SOD-doping, de arbeidsfactor neemt 4 keer toe tot 280 W/(m K² ) voor p -type terwijl het 2 keer toeneemt tot 320 μW/(m K² ) voor n -type vanwege de aanzienlijke toename van de elektrische geleidbaarheid. In ons eerdere onderzoek kan de ZT-waarde van Si-substraten met ongedoteerd poreus Si 7,3 keer groter zijn dan die van origineel bulk Si vanwege een hogere Seebeck-coëfficiënt (670 μV/K) en een lagere thermische geleidbaarheid (3,8 W/mK) [20] . Verdere optimalisatie van de ZT-waarde van Si-substraten met ongedoteerd poreus Si wordt echter belemmerd door een relatief lage elektrische geleidbaarheid. Een lage thermische geleidbaarheid kan Si behouden, zelfs door Si te doteren, omdat het warmtetransport voornamelijk wordt bepaald door fononen met een gemiddeld vrij pad van meer dan 100 nm, en dus wordt de thermische geleidbaarheid voornamelijk verlaagd door de nanostructurering met poreus Si [39]. Bovendien is de beste ZT waarde van materiaal kan meer dan 0,1 zijn bij kamertemperatuur wanneer de concentratie van de drager varieert van 10¹⁹ en 10²¹ cm⁻³ gebaseerd op de Boltzmann-transportvergelijking [40]. Daarom is de geschatte ZT De waarde van Si-substraten met gedoteerd poreus Si kan worden verbeterd tot ongeveer 0,1 via SOD-doping, wat 5 keer groter is dan die van Si-substraat met ongedoteerd poreus Si (0,02). Als gevolg hiervan wordt geconcludeerd dat Si-substraten met gedoteerd poreus Si via SOD-doping de thermo-elektrische prestaties ervan verbeteren.

Conclusies

Poreus Si werd gesynthetiseerd op sterk gedoteerde p - en n -type bulk Si met behulp van metal-assisted chemical etching (MACE). Oppervlaktedoping met behulp van spin-on-dotering (SOD) werd gebruikt om de elektrische eigenschappen van p te verbeteren - en n -type poreus Si. Vergeleken met de p - en n -type Si-substraten met ongedoteerd poreus Si (696 en 650 V/K), de Seebeck-coëfficiënt van de p - en n -type Si-substraten met gedoteerd poreus Si wordt verlaagd tot 491 en 480 μV / K vanwege de toenemende dragerconcentratie van gedoteerde poreuze Si-laag. Vergeleken met de dragerconcentratie van p - en n -type bulk Si (2,25 × 10¹⁹ en 9,03 × 10¹⁸ cm⁻³ ), de dragerconcentratie van p - en n -type ongedoteerd poreus Si wordt verlaagd tot 1,3 × 10¹⁸ en 1,35 × 10¹⁸ cm⁻³ vanwege het kwantumbegrenzingseffect en een groter oppervlak, terwijl de dragerconcentratie van p - en n -type gedoteerd poreus Si wordt verhoogd tot 4,6 × 10¹⁹ en 2.29 × 10¹⁹ cm⁻³ na de SOD-doping. SOD kan echter alleen worden gebruikt om dunne poreuze Si-film te doteren. Vergeleken met p - en n -type ongedoteerd poreus Si, p - en n -type gedoteerd poreus Si verhoogde de elektrische geleidbaarheid van 150 naar 1160 en 385 naar 1390 S/m door de afname van de contactweerstand. Bovendien kan het ohmse contact worden verkregen in p - en n -type gedoteerd poreus Si. De speciale contactweerstand tussen poreus Si en Al wordt verlaagd tot 1,35 en 1,16 mΩ-cm² , die lager is dan de contactweerstand tussen bulk Si en Al vanwege de toenemende concentratie van de drager. Ook al neemt de Seebeck-coëfficiënt af, de arbeidsfactor van p - en n -type Si-substraat met gedoteerd poreus Si wordt verhoogd tot 280 en 320 μW/(m·K² ), respectievelijk vanwege de verbetering van de elektrische geleidbaarheid. Daarom verhoogt Si-substraat met poreus Si gevormd door MACE na SOD-doping de elektrische geleidbaarheid en kan het de thermo-elektrische prestaties van poreus Si verbeteren, dat naar verwachting zal worden gebruikt voor thermo-elektrische toepassing.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die tijdens het huidige onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

Si:: Silicium
MACE:: Metaal-geassisteerd chemisch etsen
SOD:: Spin op doteerstof
FE-SEM:: Veldemissie scanning elektronenmicroscopen
RIE:: Diep reactief ionen-etsen
TEOS-CVD:: Tetraethoxysilaan chemische dampafzetting
TLM:: Transmissielijnmeting

Een overzicht van de recente vooruitgang van op metaaloxide/grafeen/CNTs gebaseerde nanobiosensoren Hersteld microRNA-326-5p remt neuronale apoptose en vermindert mitochondriale schade door STAT3 te onderdrukken bij cerebrale ischemie/reperfusieletsel

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal