Eerste wafers van zwart silicium
Zwart silicium is tot vijfhonderd keer zo gevoelig voor licht als gewoon silicium en absorbeert bovendien infrarood licht. Het Amerikaanse bedrijf SiOnyx, een spin-off van Harvard University, brengt als eerste wafers van zwart silicium op de markt.
Dankzij een zeer ruw oppervlak zijn de wafers van SiOnyx enorm lichtgevoelig en kunnen ze zelfs infrarood licht absorberen. Volgens professor Eric Mazur, de ontdekker van het materiaal, zal het mogelijk zijn met zwart silicium zeer dunne zonnecellen te maken die het theoretisch maximale rendement van veertig procent benaderen. Verder zal dit lichtgevoelige materiaal aanzienlijke verbeteringen kunnen opleveren voor nachtvisie-apparatuur, lichtsensors en digitale camera’s.
Natuurkundige Eric Mazur ontdekte zwart silicium toen hij in 1998 een student de opdracht gaf een stuk van een silicium wafer in de aanwezigheid van zwavelhexafluoride (SF6) onder vuur te nemen met een zeer krachtige femtosecondelaser. Zwavelhexafluoride is een gas dat in de halfgeleiderindustrie wordt gebruikt voor het etsen in wafers. Mazur handelde naar eigen zeggen ‘puur op intuïtie’. Hij had het idee dat dit experiment ‘iets’ zou kunnen opleveren, ook al had hij geen idee wat dat dan zou zijn.
Na het experiment van Mazur zag de wafer eruit als een zwart geblakerde schijf. Bij nadere beschouwing onder een elektronenmicroscoop bleek het oppervlak van de wafer bedekt met miljoenen spikes op micrometerschaal. Al deze uitstulpingen, die gevormd werden door de zwavelatomen in het gas, zorgen ervoor dat het materiaal licht absorbeert dat vanuit alle mogelijke hoeken op het oppervlak valt. De elektrische reactie van het materiaal op licht kan daardoor wel vijfhonderd keer zo sterk zijn als dat van gewoon silicium. Het woud van uitstulpingen absorbeert ook infrarood licht, dat dwars door gewoon silicium gaat.
Bijna tien jaar na de ontdekking van het zwarte silicium presenteert SiOnyx nu zijn zwarte wafers, die met een licentie van Harvard University worden gemaakt. ‘Ons bedrijf heeft jarenlang onder de radar geopereerd’, zegt Steve Saylor, ceo van SiOnyx. ‘We wilden eerst zeker weten dat we de zwarte wafers op commerciële wijze konden produceren met behulp van bestaande technologie.’ Volgens Saylor kan SiOnyx nu in een conventionele halfgeleidersfabriek zwarte wafers produceren die slechts een fractie duurder zijn dan gewone wafers.
SiOnyx is gevestigd in Massachusetts en heeft inmiddels circa acht miljoen euro aan startkapitaal opgehaald voor de commercialisering van shallow junction photonics. Saylor verwacht dat zwart silicium volgend jaar gebruikt zal worden voor hypergevoelige sensoren in nachtvisieapparatuur. Hoewel SiOnyx nog experimenteert met de photovoltaïsche eigenschappen van het materiaal, is het bedrijf niet van plan zelf zonnecellen te gaan produceren. ‘We zullen onze rol beperken tot leverancier van de technologie’, zegt Saylor.
SiOnyx ziet ook grote mogelijkheden voor zwart silicium in de miljardenmarkt van digitale beeldregistratie: digitale camera’s en video-apparatuur. Het bedrijf voorziet in deze markt de toepassing van sensoren van zwart silicium, die een sterker signaal geven en minder last hebben van ruis dan de thans gangbare silicium sensoren