Pembentukan dan Evaluasi Substrat Silikon dengan Lapisan Si Berpori yang Didoping Tinggi yang Dibentuk dengan Etsa Kimia Berbantuan Logam
Abstrak
Silikon berpori (Si) adalah bahan konduktivitas termal rendah, yang memiliki potensi tinggi untuk perangkat termoelektrik. Namun, kinerja keluaran yang rendah dari Si berpori menghambat pengembangan kinerja termoelektrik karena konduktivitas listrik yang rendah. Hambatan kontak yang besar dari kontak nonlinier antara Si berpori dan logam adalah salah satu alasan untuk pengurangan konduktivitas listrik. Dalam makalah ini, p - dan n -jenis Si berpori dibentuk pada substrat Si dengan etsa kimia berbantuan logam. Untuk mengurangi resistensi kontak, p - dan n -jenis spin pada dopan digunakan untuk mengoleskan elemen pengotor ke dalam p - dan n -jenis permukaan Si berpori, masing-masing. Dibandingkan dengan substrat Si dengan sampel berpori yang tidak didoping, kontak ohmik dapat diperoleh, dan konduktivitas listrik p yang didoping - dan n -jenis Si berpori masing-masing dapat ditingkatkan menjadi 1160 dan 1390 S/m. Dibandingkan dengan substrat Si, resistansi kontak khusus untuk p . yang didoping - dan n -jenis lapisan Si berpori berkurang menjadi 1,35 dan 1,16 mΩ/cm
2
, masing-masing, dengan meningkatkan konsentrasi pembawa. Namun, peningkatan konsentrasi pembawa menginduksi penurunan koefisien Seebeck untuk p - dan n -jenis substrat Si dengan sampel Si berpori yang didoping masing-masing menjadi 491 dan 480 μV/K. Faktor daya terkait dengan koefisien Seebeck dan konduktivitas listrik bahan termoelektrik, yang merupakan salah satu faktor penting yang mengevaluasi kinerja keluarannya. Oleh karena itu, meskipun nilai koefisien Seebeck substrat Si dengan sampel Si berpori yang didoping menurun, lapisan Si berpori yang didoping dapat meningkatkan faktor daya dibandingkan dengan sampel yang tidak didoping karena peningkatan konduktivitas listrik, yang memfasilitasi pengembangannya untuk aplikasi termoelektrik.
Pengantar
Saat ini, konversi energi termoelektrik, yang dapat mengubah panas yang terbuang menjadi energi listrik, dianggap sebagai teknologi penting untuk mengurangi tekanan kekurangan energi dengan meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi [1]. Khususnya, berbagai aplikasi sensor sangat dibutuhkan masyarakat komunikasi informasi masa depan [2, 3]. Teknologi mikrofabrikasi berdasarkan bahan termoelektrik telah dipelajari untuk mewujudkan perangkat termoelektrik yang sangat efisien dan kompak [4,5,6]. Performa termoelektrik bahan termoelektrik dievaluasi dengan figur manfaat ZT = бS2T/к , di mana б adalah konduktivitas listrik, S Koefisien Seebeck, T suhu mutlak, dan к konduktivitas termal [7]. Faktor daya, бS2
, adalah output daya maksimum yang dihasilkan dari suatu material dan dengan demikian digunakan untuk memperkirakan kinerja outputnya.
Bahan termoelektrik umum, seperti Bi2 Te3 dan Sb2 Te3 , mengandung bahan langka dan beracun, yang membuat produksi skala besar menjadi sulit. Si dianggap sebagai salah satu kandidat alternatif untuk diterapkan pada perangkat termoelektrik karena jumlahnya yang melimpah dan banyak digunakan dalam industri semikonduktor [8]. Namun, Si bukanlah bahan termoelektrik yang ideal karena konduktivitas termalnya yang tinggi (~ 150 W/mK) dan ZT yang rendah. nilai (0,006) [9]. Baru-baru ini, Si berstruktur nano telah terbukti menurunkan konduktivitas termal menjadi 1,6 W/mK dan kemudian meningkatkan ZT nilai menjadi 0,6 pada 300 K [10]. Generator termoelektrik berdasarkan kawat nano Si berhasil dibuat baru-baru ini [11, 12]. Namun, kinerja generator termoelektrik tersebut masih rendah karena susunan kawat nano Si sulit untuk menjamin diameter yang seragam dan permukaan yang halus, yang sangat terkait dengan ZT nilai.
Porous Si, sebagai salah satu nanostruktur Si, dianggap sebagai salah satu kandidat bahan termoelektrik dari karya teoritis dan eksperimental [13,14,15]. Namun, kinerja keluaran yang tidak memadai dari Si berpori membatasi pengembangan perangkat termoelektrik karena konduktivitas listriknya yang rendah. Banyak karya menemukan bahwa kontak listrik antara logam dan Si berpori menunjukkan perilaku nonlinier karena penghalang energi potensial antara logam dan Si berpori [16, 17]. Penyebabnya adalah besarnya permukaan pada Si berpori dan efek trapping permukaan menyebabkan penipisan konsentrasi pembawa pada permukaan Si berpori [18]. Ini adalah tantangan untuk fabrikasi generator termoelektrik karena kerugian parasit yang besar muncul dari hambatan listrik pada antarmuka [19]. Selain itu, peningkatan penghalang ini juga menurunkan konduktivitas listrik nyata dari Si berpori hingga beberapa kali lipat dibandingkan dengan Si dalam jumlah besar, yang menghasilkan faktor daya yang rendah [20].
Doping impuritas menggunakan spin on dopan (SOD) merupakan salah satu metode modifikasi permukaan untuk meningkatkan konduktivitas listrik dengan cara meningkatkan konsentrasi pembawa pada permukaan Si. Tidak seperti implantasi ion, doping pengotor dengan SOD lebih sedikit merusak proses [21]. Beberapa karya telah menunjukkan bahwa kawat nano Si yang didoping oleh SOD menunjukkan konduktivitas listrik yang tinggi [22, 23]. Boor dkk. menemukan bahwa konduktivitas listrik dari film Si berpori yang dibentuk dengan metode elektrokimia dapat ditingkatkan setelah doping dengan SOD [24]. Namun, karakteristik kontak listrik dari Si berpori yang didoping dengan SOD tidak diselidiki dalam penelitian sebelumnya dan merupakan parameter penting untuk perangkat termoelektrik. Selain itu, penyelidikan efek doping SOD pada kinerja keluaran substrat Si dengan lapisan Si berpori jarang dilakukan. Berbeda dengan metode elektrokimia, kami menggunakan metal-assisted chemical etching (MACE) untuk membentuk Si berpori. MACE adalah metode sederhana dan dapat diproduksi secara massal menggunakan teknik etsa basah, yang dapat mensintesis beragam struktur nano termasuk kawat nano Si dan Si berpori [25,26,27]. Selain itu, metode ini dapat membentuk pori nano lurus dengan kecepatan etsa yang lebih cepat dibandingkan metode lainnya.
Dalam penelitian ini, p - dan n -jenis Si substrat dengan lapisan Si berpori dibentuk oleh MACE, dan koefisien Seebeck, konduktivitas listrik dan kontak listrik dievaluasi pada lapisan Si berpori yang didoping dengan berbagai jenis SOD. Pertama, koefisien Seebeck dari p - dan n- jenis Si berpori yang dibentuk oleh MACE diselidiki dan konsentrasi pembawa lapisan yang didoping dengan SOD dievaluasi untuk memverifikasi efek doping. Kemudian, konduktivitas listrik dan karakteristik kontak substrat Si dengan lapisan Si berpori yang didoping diukur menggunakan karakteristik arus-tegangan. Selain itu, kontak listrik antara logam dan lapisan Si berpori yang didoping dievaluasi dalam hal resistansi kontak khusus. Akhirnya, faktor kekuatan p - dan n -jenis substrat Si dengan lapisan Si berpori yang didoping dievaluasi dan dibandingkan dengan sampel yang tidak didoping.
Metode
(100) berorientasi p -type (10,0 mΩ-cm) dan n -jenis (10,0 mΩ-cm) Si substrat dengan ukuran 2 × 2 cm
2
secara berurutan dibersihkan dalam aseton, etanol, air deionisasi dan larutan piranha (H2 JADI4 :H2 O2 dengan perbandingan volume 2:1). Kemudian, p - dan n Lapisan Si berpori tipe-terbentuk pada substrat Si dengan proses MACE sebagai berikut. Pertama, substrat Si direndam dalam campuran 0,14 M HF dan 5 × 10
–4
M AgNO3 larutan selama 7 menit pada suhu kamar. Dalam prosedur ini, nanopartikel Ag, dengan diameter berkisar antara 80 hingga 180 nm, diendapkan pada permukaan Si, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Selanjutnya, substrat Si yang diendapkan dengan nanopartikel Ag direndam dalam larutan etsa yang mengandung 25 ml 49% larutan HF, 10 ml 35% H2 O2 larutan, dan 5 ml air deionisasi dengan perbandingan volume 5:2:1 pada suhu kamar. Reaksi etsa berlangsung dengan anodisasi lokal listrik dan proses penghilangan oksida. Nanopartikel Ag segera mengoksidasi permukaan Si pada antarmuka dengan anodisasi lokal, dan oksida tergores oleh HF dalam larutan. Saat etsa berlangsung, nanopartikel Ag menembus ke dalam Si untuk etsa lebih lanjut. Oleh karena itu, lapisan Si berpori terbentuk. Dilaporkan bahwa tingkat pembentukan berpori untuk p -tipe Si lebih lambat dari itu untuk n -tipe Si [28]. Ketebalan Si berpori dikendalikan oleh waktu etsa. Dalam eksperimen kami, waktu etsa p -tipe Si dipilih menjadi 2 min 40 s sedangkan n -jenis Si diproses selama 2 menit untuk mendapatkan film Si berpori sekitar 20 μm. Akhirnya, substrat Si dibersihkan dengan asam nitrat 10% untuk menghilangkan nanopartikel Ag diikuti dengan pembersihan air deionisasi. Porositas lapisan Si berpori didefinisikan sebagai berikut,
dimana m1 adalah massa sampel awal, m2 adalah massa sampel setelah pembentukan lapisan Si berpori, p, v adalah densitas dan volume dari lapisan kristal tunggal Si asli yang tergores. Morfologi film Si berpori diamati dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM).
Substrat Si dengan proses pembentukan lapisan Si berpori menggunakan etsa kimia berbantuan logam. a Substrat Si dibersihkan. b deposisi nanopartikel Ag. c etsa dengan larutan HF. d Penghapusan nanopartikel perak
Gambar 2a, b menggambarkan gambar penampang p - dan n -jenis film Si berpori yang dibentuk oleh MACE. Ketebalan p - dan n -jenis film Si berpori kira-kira 20 m, yang disesuaikan dengan waktu etsa. Diameter pori rata-rata p - dan n -jenis film Si berpori masing-masing adalah 130 nm dan 125 nm, dan porositas p - dan n -jenis film Si berpori masing-masing adalah 35% dan 31%.
Struktur mikro lapisan Si berpori untuk ap -type dan bn -ketik
Pengotor boron atau fosfor didoping ke dalam lapisan Si berpori untuk membentuk p -ketik atau n -jenis lapisan Si, masing-masing, menggunakan SOD (Filmtronics Inc. USA). SOD dilapisi pada permukaan dengan spin coating pada 3000 rpm selama 30 detik. Kemudian sampel dipanggang pada suhu 110 °C selama 15 menit untuk mengeraskan film SOD. Setelah itu, sampel dimasukkan ke dalam tungku tabung kuarsa dan dianil pada suhu 1100 °C selama 3 jam di N2 lingkungan untuk menyebarkan atom dopan ke dalam Si berpori. Terakhir, sampel direndam ke dalam larutan HF untuk menghilangkan SiO2 dan bersihkan permukaannya. Untuk memvalidasi efek doping pada lapisan Si berpori, konsentrasi pembawa lapisan Si berpori yang tidak didoping dan didoping diukur dengan sistem pengukuran Efek Hall [17].
Dua pola elektroda logam dibentuk secara terpisah pada film Si berpori dan bagian belakang substrat Si untuk pengukuran koefisien Seebeck bidang silang sampel pada suhu kamar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Lapisan berpori Si terbentuk pada setengah area wafer Si, dan bagian Si yang tersisa digores sedalam 30 μm menggunakan deep reactive ion etching (RIE). Kemudian, SiO setebal 1 m2 film diendapkan di permukaan dengan deposisi uap kimia tetraethoxysilane (TEOS-CVD) untuk mengurangi kehilangan panas ke atmosfer sekitar. Dua 1 × 1 mm
2
jendela kontak persegi terbentuk pada SiO2 film. Setelah itu, dua 1 × 2 mm
2
-Elektroda Ti-Au setebal 300 nm-persegi panjang dibentuk dengan penguapan berkas elektron untuk bantalan kontak. Akhirnya, dua elemen Peltier komersial dikontakkan dengan substrat Si untuk menciptakan gradien suhu di sepanjang arah dalam bidang. Suhu T1 dan T2 pada dua elektroda diukur dengan termokopel dan perbedaan suhu T didapatkan. Tegangan yang dihasilkan V diukur dengan elektrometer. Koefisien Seebeck sampel diperoleh dari persamaan di bawah ini:
$$S =- \frac{\Delta V}{{\Delta T}}$$ (2)
a Ilustrasi perangkat untuk pengukuran koefisien Seebeck; ilustrasi perangkat untuk konduktivitas listrik dan pengukuran tahan kontak khusus:b substrat Si; c Substrat Si dengan lapisan Si berpori
Arus (I )–tegangan (V ) karakteristik diukur untuk p -ketik massal Si, n -jenis Si curah, dan Si berpori yang didoping/tidak didoping menggunakan konfigurasi pengukuran lateral dan vertikal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, c. Tiga elektroda Al setebal 200 nm (‘1,’ ‘2,’ ‘3’) dengan ukuran 0,6 × 0,6 mm
2
terbentuk di sisi atas sampel Si massal dan juga elektroda Al ('4') juga terbentuk di sisi belakang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Untuk membuat kontak listrik, kawat tembaga direkatkan pada elektroda '4' menggunakan pasta perak. Jarak pusat-ke-pusat antara elektroda Al '12,' '23,' '13' masing-masing adalah 0,2, 0,3, 0,56 cm. Sampel massal Si dianil pada 450 selama 30 menit untuk mengonfirmasi kontak ohmik antara Al dan Si. Untuk mengukur resistansi kontak khusus, resistansi lateral di antara tiga elektroda diukur menggunakan probe sensitif tinggi. Untuk mengukur konduktivitas listrik vertikal dari substrat Si massal, konduktansi listrik antara elektroda Al '2'-'4' diukur. Untuk mengukur sifat listrik sampel Si berpori dengan dan tanpa doping, SiO2 setebal 2 m2 lapisan diendapkan pada film Si berpori oleh CVD tetraetil ortosilikat (TEOS-CVD) untuk menghindari kerusakan mekanis pada lapisan Si berpori dari probe listrik. Tiga 0,6 × 0,6 mm
2
SiO2 jendela dibentuk dengan mengetsa SiO2 lapisan sebagian menggunakan HF buffer untuk membuat kontak listrik. Kemudian, tiga 1,0 × 0,6 mm
2
Elektroda Al terbentuk pada SiO2 lapisan bersama-sama dengan SiO2 jendela, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Dengan demikian, probe dapat secara fisik bersentuhan dengan elektroda Al yang diperluas untuk membuat kontak listrik ke film Si berpori.
Hasil dan Diskusi
Gambar 4 menunjukkan perbedaan tegangan versus suhu yang dihasilkan pada substrat Si dengan sampel Si berpori yang didoping dan yang tidak didoping. Nilai koefisien Seebeck yang dihitung dari sampel yang berbeda ditunjukkan pada Tabel 1. Koefisien Seebeck untuk p massal dan tipe-n Si masing-masing adalah 450 dan 485 μV/K, dan koefisien Seebeck untuk p dan n -jenis substrat Si dengan sampel Si berpori yang tidak didoping menunjukkan nilai yang lebih tinggi, masing-masing 696 dan 650 μV/K. Alasan perbedaan koefisien Seebeck ini adalah karena efek penyaringan energi dan efek hamburan permukaan [29,30,31]. Setelah proses doping, koefisien Seebeck dari p dan n substrat tipe Si dengan sampel Si berpori yang didoping menurun menjadi 491 dan 480 μV/K karena peningkatan konsentrasi pembawa pada lapisan Si berpori yang didoping. Namun, untuk seluruh sampel Si berpori yang didoping, lapisan Si berpori yang didoping tipis dan bagian yang tersisa dari lapisan Si berpori masih belum didoping. Oleh karena itu, meskipun konsentrasi pembawa lapisan Si berpori yang didoping lebih tinggi daripada Si massal, koefisien Seebeck dari seluruh sampel Si berpori yang didoping (lapisan Si berpori yang didoping + lapisan Si berpori yang tidak didoping) dekat dengan yang ada di sampel Si massal.
Tegangan yang dihasilkan versus perbedaan suhu pada substrat Si dengan lapisan Si berpori tipe n dan p yang didoping dan tidak didoping
Secara umum, koefisien Seebeck terdiri dari bagian difusi muatan Sd dan bagian seret phonon Sph . Karena semua sampel sangat didoping (~ 10
18
) dan pengukuran dilakukan pada suhu kamar, Sph nilainya jauh lebih kecil dari Sd , menghasilkan SSd [32]. Dengan demikian, koefisien Seebeck juga dapat ditampilkan sebagai rekan [33],
dimana kB adalah konstanta Boltzmann, h adalah konstanta Planck, T adalah suhu mutlak, m * adalah massa efektif keadaan, q adalah muatan elektron dan n adalah konsentrasi pembawa. Oleh karena itu, konsentrasi pembawa n merupakan faktor penting yang menentukan nilai koefisien Seebeck.
Untuk lebih memahami hubungan antara konsentrasi pembawa dan koefisien Seebeck, konsentrasi pembawa p dan n -Tipe lapisan Si berpori yang didoping dan tidak didoping diukur dengan pengukuran Hall. Konsentrasi pembawa p dan n -jenis lapisan Si berpori yang tidak didoping ditemukan 1,3 × 10
18
dan 1,35 × 10
18
cm
−3
, masing-masing, sedangkan konsentrasi pembawa p - dan n -jenis lapisan Si berpori yang didoping ditingkatkan menjadi 4,6 × 10
19
dan 2,3 × 10
19
cm
−3
setelah doping SOD. Sebagai referensi, konsentrasi pembawa p - dan n -jenis substrat Si adalah 2,3 × 10
19
dan 9.0 × 10
18
cm
−3
, masing-masing. Koefisien Seebeck substrat Si dengan sampel Si berpori yang didoping menurun karena meningkatnya konsentrasi pembawa yang disebabkan oleh lapisan Si berpori yang didoping.
Gambar 5a menggambarkan I –V kurva p - dan n -jenis lapisan Si massal di sepanjang arah ketebalan wafer. Resistansi total p - dan n -jenis lapisan Si curah adalah 1,12 dan 0,65 sedangkan resistansi interior diperkirakan p - dan n -tipe curah Si keduanya hanya 0,08; dengan demikian, hambatan total p - dan n -jenis lapisan Si massal terutama ditentukan oleh resistansi kontak. Sejak p - dan n -jenis substrat Si massal keduanya sangat didoping (~ 10
19
), kontak listrik antara alas Al dan substrat Si akan menjadi kontak ohmik. Namun, Aku –V karakteristik p - dan n -jenis Si substrat dengan lapisan Si berpori undoped menunjukkan kurva nonlinier, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Dalam hal ini, kami mendefinisikan konduktivitas listrik sampel ini dari gradien I –V kurva pada tegangan tertentu 1 V. Salah satu alasan untuk perilaku nonlinier ini adalah bahwa rasio permukaan-ke-volume meningkat dalam struktur nano dan sejumlah besar keadaan energi permukaan terbentuk pada permukaan lapisan Si berpori yang tidak didoping, sehingga nonlinier disebabkan oleh efek kurungan kuantum [34]. Tidak seperti Si massal, elektron diharuskan memiliki lebih banyak energi untuk melewati antarmuka Si berpori Al, yang meningkatkan resistansi kontak dan menurunkan konduktivitas listrik total. Selain itu, faktor lain, seperti permukaan terhidrogenasi metastabil, dan oksida alami, memiliki efek pada karakteristik listrik dari Si berpori, yang juga dapat berkontribusi pada penurunan besar konduktivitas listrik [35, 36]. Setelah doping SOD, kontak ohmik diperoleh untuk p - dan n -jenis substrat Si dengan Si berpori yang didoping, sebagai I linear linier –V kurva ditunjukkan pada Gambar. 5a, dan konduktivitas listrik p Substrat Si tipe - dan tipe n dengan lapisan Si berpori yang didoping masing-masing meningkat dari 150 menjadi 1160 dan 385 menjadi 1390 S/m, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Peningkatan konduktivitas listrik terutama disebabkan oleh penurunan resistansi kontak karena Doping SOD terutama mempengaruhi permukaan Si berpori. Setelah doping SOD, kurus p
+
atau n
+
lapisan Si berpori terbentuk pada p - dan n -jenis lapisan Si berpori, masing-masing, dan konsentrasi pembawa dapat mencapai sekitar 10
19
cm
−3
. Oleh karena itu, elektron dapat menembus melalui antarmuka antara Al dan Si berpori yang didoping terlepas dari penghalang potensial [37].
Dievaluasi Saya –V karakteristik benda uji. ap - dan n -jenis substrat Si dan Si curah dengan Si berpori yang didoping. bp - dan n -jenis substrat Si dengan Si berpori yang tidak didoping
Untuk mengevaluasi karakteristik listrik dari benda uji, resistansi kontak spesifik dievaluasi berdasarkan teori pengukuran saluran transmisi (TLM), yang didefinisikan sebagai resistansi kontak per satuan luas [38]. Dalam teori TLM, hambatan total R dapat dihitung dengan,
$$R =2R_{{\rm{c}}} + \frac{{p_{i} }}{A}L$$ (4)
dimana Rc adalah resistansi kontak, pi resistivitas interior sampel, L celah antara dua elektroda, dan A luas penampang. Resistansi kontak spesifik pc dapat didefinisikan sebagai pc = Rc × A . Oleh karena itu, Persamaan. 4 dapat dikonversi dengan mengalikan luas A ke dalam,
$$RA =2p_{c} + p_{i} L$$ (5)
Ketika nilai L mendekati 0, R menjadi dua kali dari resistansi kontak. Jadi, pc dapat diperkirakan dari hubungan antara RA (resistensi total dikalikan dengan luas penampang) dan L , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Dengan demikian, resistansi kontak spesifik pc dapat diperoleh dari setengah dari nilai ekstrapolasi di L = 0. Sejak saya –V kurva nonlinier, resistansi kontak spesifik dari Si berpori yang tidak didoping tidak dapat diukur. Resistensi kontak spesifik yang dihitung dari p - dan n - jenis Si berpori yang didoping adalah 1,35 dan 1,16 mΩ-cm
2
, masing-masing, sementara p - dan n - tipe curah Si adalah 1,88 dan 1,25 mΩ-cm
2
, masing-masing. Hasil ini menunjukkan bahwa p - dan n -jenis Si berpori yang didoping memiliki resistansi kontak spesifik yang lebih rendah daripada p - dan n - jenis massal Si. Oleh karena itu, dibandingkan dengan substrat Si dengan Si berpori yang tidak didoping, resistansi kontak yang lebih rendah antara Si berpori yang didoping dan logam dikaitkan dengan peningkatan konduktivitas listrik substrat Si dengan Si berpori yang didoping.
Hubungan antara L dan RA . ap -jenis substrat Si dan Si curah dengan Si berpori yang didoping. bn -jenis substrat Si dan Si curah dengan Si berpori yang didoping
Tabel 1 menunjukkan faktor daya p - dan n - jenis substrat Si dan Si curah dengan lapisan Si berpori yang tidak didoping dan didoping. Meskipun koefisien Seebeck dari p - dan n - substrat jenis Si dengan Si berpori keduanya berkurang melalui doping SOD, faktor daya meningkat 4 kali lipat menjadi 280 μW/(m K
2
) untuk p -ketik saat itu meningkat 2 kali lipat menjadi 320 μW/(m K
2
) untuk n -jenis karena peningkatan yang signifikan dari konduktivitas listrik. Dalam penelitian kami sebelumnya, nilai ZT substrat Si dengan Si berpori yang tidak didoping dapat meningkat 7,3 kali lebih besar daripada Si massal asli karena koefisien Seebeck yang lebih tinggi (670 μV/K) dan konduktivitas termal yang lebih rendah (3,8 W/mK) [20] . Namun, optimasi lebih lanjut dari nilai ZT substrat Si dengan Si berpori yang tidak didoping terhambat oleh konduktivitas listrik yang relatif rendah. Konduktivitas termal yang rendah dapat mempertahankan Si bahkan dengan doping Si karena perpindahan panas terutama diatur oleh fonon dengan jalur bebas rata-rata lebih dari 100 nm, dan dengan demikian, konduktivitas termal terutama diturunkan oleh struktur nano dengan Si berpori [39]. Selain itu, ZT . terbaik nilai bahan bisa lebih dari 0,1 pada suhu kamar ketika konsentrasi pembawa berkisar antara 10
19
dan 10
21
cm
−3
berdasarkan persamaan transportasi Boltzmann [40]. Oleh karena itu, perkiraan ZT Nilai substrat Si dengan Si berpori yang didoping dapat ditingkatkan menjadi sekitar 0,1 melalui doping SOD, yaitu 5 kali lebih besar dari substrat Si dengan Si berpori yang tidak didoping (0,02). Akibatnya, substrat Si dengan Si berpori yang didoping melalui doping SOD disimpulkan untuk meningkatkan kinerja termoelektriknya.
Kesimpulan
Si berpori disintesis pada p . yang sangat didoping - dan n -jenis Si massal menggunakan etsa kimia berbantuan logam (MACE). Doping permukaan menggunakan spin-on-dopant (SOD) digunakan untuk meningkatkan sifat listrik p - dan n -jenis Si berpori. Dibandingkan dengan p - dan n -jenis substrat Si dengan Si berpori yang tidak didoping (696 dan 650 μV/K), koefisien Seebeck dari p - dan n Substrat tipe-Si dengan Si berpori yang didoping berkurang menjadi 491 dan 480 μV/K karena meningkatnya konsentrasi pembawa lapisan Si berpori yang didoping. Dibandingkan dengan konsentrasi pembawa p - dan n -jenis massal Si (2,25 × 10
19
dan 9,03 × 10
18
cm
−3
), konsentrasi pembawa p - dan n -jenis Si berpori undoped diturunkan menjadi 1,3 × 10
18
dan 1,35 × 10
18
cm
−3
karena efek kurungan kuantum dan luas permukaan yang lebih besar, sedangkan konsentrasi pembawa p - dan n -jenis Si berpori yang didoping ditingkatkan menjadi 4,6 × 10
19
dan 2.29 × 10
19
cm
−3
setelah doping SOD. Namun, SOD hanya dapat digunakan untuk mengoles film Si berpori tipis. Dibandingkan dengan p - dan n -jenis Si berpori yang tidak didoping, p - dan n -jenis Si berpori yang didoping meningkatkan konduktivitas listrik dari 150 menjadi 1160 dan 385 menjadi 1390 S/m karena penurunan resistansi kontak. Selain itu, kontak ohmik dapat diperoleh di p - dan n -jenis Si berpori yang didoping. Tahanan kontak khusus antara Si dan Al berpori berkurang menjadi 1,35 dan 1,16 mΩ-cm
2
, yang lebih rendah dari resistansi kontak antara curah Si dan Al karena meningkatnya konsentrasi pembawa. Meskipun koefisien Seebeck menurun, faktor daya p - dan n -jenis substrat Si dengan Si berpori yang didoping ditingkatkan menjadi 280 dan 320 μW/(m·K
2
), masing-masing, karena peningkatan konduktivitas listrik. Oleh karena itu, substrat Si dengan Si berpori yang dibentuk oleh MACE setelah doping SOD meningkatkan konduktivitas listrik dan dapat meningkatkan kinerja termoelektrik Si berpori, yang diharapkan dapat digunakan untuk aplikasi termoelektrik.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
