金属辅助化学刻蚀制备黑硅及其光电性能研究

发布时间：2020-06-26 23:01

【摘要】：由于单晶硅材料自身的性能限制,使得硅在可见光-近红外波段的光反射率很高,限制了硅基材料的应用范围、灵敏度及转换效率等关键性能。而黑硅是一种新型半导体材料,由于其孔状或尖锥的表面微观结构,表面粗糙度较大,使其在可见光-近红外波段的光吸收率大大提高,大幅度提高了材料的光电转换效率,对于光探测器、光二极管、太阳能电池、场发射器等其他光电器件有较为广阔的应用前景。现阶段,黑硅的制备方法有很多,但金属辅助化学刻蚀制备黑硅因操作简便,成本低廉,可大批量操作等优点,为黑硅的商业化提供了可能。本文主要研究了金属辅助化学刻蚀制备黑硅中沉积溶液的硝酸银溶液浓度、刻蚀时间和刻蚀温度对黑硅样品的形貌及光吸收率的影响,并在所制备的黑硅样品表面制备叉指电极,研究样品的光暗电流、量子效率及灵敏度等光电性能。通过本文研究表明,金属辅助化学刻蚀制备黑硅过程中,当硝酸银溶液的浓度由0.01 mol/L增加到0.03 mol/L时,由于沉积时溶液中银粒子浓度的增加,银粒子发生聚集现象,所刻蚀的孔洞结构由单一结构变为聚集结构,平均深度由4μm增加到6μm,在200-1000 nm波长范围内的平均光吸收率由50%增加到65%;当刻蚀时间由30 min增加到45 min时,所刻蚀的孔洞尺寸结构都在100 nm左右,平均深度由4μm增加到9μm,在200-1000 nm波长范围内平均光吸收率由50%增加到90%;当刻蚀温度由室温增加到70℃时,所刻蚀的孔洞结构均在100 nm左右,平均深度由3μm增加到了8μm。当样品的平均光吸收率由25%增加到85时,样品的灵敏度由0.0037 A/W增加到0.00847 A/W,量子效率由0.782%增加到了1.9%。200-1000 nm波长范围内平均光吸收率为85%的样品,在施加1 V到5 V的反向偏压时,样品的暗电流增加7.9μA时不再随偏压的增加而增加,灵敏度增加到0.0824 A/W时不再随偏压的增加而发生明显变化,量子效率则增加到18.56%时不随偏压的增加而增加。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304.12;O613.72
【图文】：

SEM图,环境气体,刻蚀,发光光谱

图 1.1 SF6环境气体下刻蚀的黑硅 SEM 图[3](a)斜 45o角视图；(b)样品横截面图以黑硅为基底的太阳能电池较硅基太阳能电池的转换效类解决全球能源危机开辟了新的思路。而以黑硅为基底制性能得到了大幅度的提高，并且将能够探测到的光的波段范围内，可用于夜视镜、照相机等器材。性了[5]利用飞秒激光脉冲法以空气为气体氛围时，制备出的光发光情况，黑硅的发光光谱会受到脉冲参数和退火参数的不同，会导致发光光谱的谱峰位置发生了变化；当激光通时，发现激光通量不会对发光光谱的谱峰位置产生影响，样品的发光强度。实验发现退火对黑硅的光谱有较大的影置没有受到退火的影响，但是发光强度增强了，同时通过附近的峰，当退火时间的增加，这个新增的红峰的位置会的红峰的强度随之增强。

原理图,干法刻蚀,原理,刻蚀

应原理分别为物理刻蚀、化学刻蚀和物理化学刻蚀。干法刻蚀制备黑硅主要基底需要被刻蚀的表面暴露在气态等离子中，通过等离子与待刻蚀的样品表理或化学反应来对硅基底表面进行刻蚀。硅基底与气态等离子接触时产生化学反应时，该反应为化学刻蚀，化学刻蚀为等离子体刻蚀[9]。而等离子体刻蚀制备黑硅首先是特定或者混合的气体在强下进行了辉光放电，产生的分子或者分子基团与硅基表面发生离子化学辉光发电产生的活性反应基团通过扩散到达了材料的表面，与之接触时两化学反应，反应生成了挥发性的气体，这些气体在真空室中被抽走，避免影应的进行，从而对黑硅基底进行刻蚀得到黑硅样品。实验过程中的参数为反成分和流量，通过对两者的控制，找到最佳的实验参数，得到较好的刻蚀选可以提高样品的刻蚀速率，由于等离子刻蚀时不需要对样品施加电压，因此场的定向作用，而对硅片的刻蚀是各向同性的，所以很容易发生钻刻现象，刻蚀精度不是很高，无法达到微米级。

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