微纳结构硅材料的制备及光电性能研究

发布时间：2020-07-31 21:41

【摘要】：硅不仅易提取,耐高温,成本低,而且储量较为丰富,因而是目前使用最为广泛的一种半导体材料。但是,单晶硅材料的禁带宽度为1.124 eV(300 K),只能对可见光进行有效吸收,无法完全满足硅基光电探测器在红外波段的需求。采用物理或者化学的方法对单晶硅表面进行微纳刻蚀及元素掺杂,不仅能够形成良好的陷光结构,还可以改变硅材料的能带结构,使其具备一定的近红外探测能力,是近年来国内外光电子领域研究的热点和前沿之一。本文分别采用飞秒激光烧蚀、微机电系统(MEMS)工艺刻蚀和金属催化腐蚀三种不同的方法制备微纳结构硅材料,对比研究其表面形貌、光谱吸收特性和金半欧姆接触特性;用SiN_x薄膜对微纳结构硅材料表面进行钝化处理,对比研究钝化前后微纳结构硅材料少子寿命的变化规律。取得的主要研究结果如下:(1)采用飞秒激光在不同激光功率、扫描速度以及气体氛围下得到的黑硅材料,在400 nm~2000 nm范围内比单晶硅的光谱吸收率有显著提升。其中,采用200 mW、1 mm/s和SF_6制备得到的黑硅材料,尖锥结构密集、尖锥完整、光谱吸收率较高,在近红外区的光谱吸收率可达到90%左右。(2)采用MEMS工艺在不同图案周期和刻蚀深度制备得到的微结构硅材料,在可见光波段的吸收率有一定提升,但在近红外波段的吸收率提升不明显。其中,图案周期D=4μm/T=6μm、循环刻蚀70次制备得到的微结构硅材料,结构周期排列、光谱吸收率较高,在400 nm~1100 nm范围内的光谱吸收率达到70%左右。(3)采用金属催化腐蚀在不同腐蚀方法和镀银时间制备得到的纳米结构硅材料,在可见光波段和近红外波段的光谱吸收率较单晶硅材料有明显提升。其中,镀银时间为60 s制备得到的纳米结构硅材料,尖锥结构最细密、完整,光谱吸收率较高,在400 nm~1100 nm范围内的光谱吸收率提高到90%以上,而在1100nm~2000 nm范围内的光谱吸收率提高到70%左右。(4)用飞秒激光烧蚀、MEMS工艺刻蚀和金属催化腐蚀三种不同方法制备得到的微纳结构硅材料,能够与Ag/NiCr形成良好的欧姆接触,接触电阻较小,其中金属催化腐蚀制备的纳米结构硅接触电阻最小。(5)单晶硅表面经三种工艺刻蚀后,少子寿命有一定程度的降低。采用SiN_x薄膜对微纳结构硅材料进行钝化处理,能显著降低载流子复合、提升少子寿命。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304.12
【图文】：

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电子科技大学硕士学位论文.2 微纳结构硅材料及其应用.2.1 表面结构种类及特点贝尔实验室的 Uhlirs 等人[9]早在上世纪 50 年代，将单晶硅放入通以电流F 酸溶液中，在其表面形成了具有密集多孔的微结构层，这便是多孔硅。由孔硅具有容易制备、陷光和发光特性，因此在当时成为热门的研究课题。在上世纪末，哈佛大学的 Eric Mazur 教授团队得到尖锥状阵列的微结构硅于这种特殊的硅材料看上去呈黑色，故而称其为“黑硅”（Black Silicon，BSEM 截面图如图 1-1 所示。在发现黑硅后，Mazur 等人又对飞秒激光烧蚀黑硅背景气氛如真空、空气、SF6、N2等进行了研究，分析对比了不同背景气氛下制备黑硅材料的宏观、微观形貌，并解释了光谱高吸收的原因。研究发现在较宽的光谱范围内光谱吸收率都很高，较传统硅材料有质的飞跃。正是由硅材料具有的这一优良特性，使其为新型硅光电探测器提供了良好的材料支持

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第一章绪论备的黑硅尖锥演化过程、黑硅的光学特性以及黑硅的热学性能。了 Mazur 团队提出的黑硅，还有其他一些人通过各种物理或化学单晶硅材料，在其表面形成分布均匀且有一定深度的尖锥、孔、过多年的发展，制备微纳结构硅材料的方法也日益成熟且多样化杂的元素也由原来的 S 扩充到了 Se、Te 等氧族元素。目前，制料比较常用的方法有飞秒激光烧蚀[16]、MEMS 工艺刻蚀[17]、金属米压印刻蚀[19]等，这些材料中的部分如 MEMS 结构和金属诱导以结合二次离子注入工艺[20]，将 S 等氧族元素注入进硅材料表而实现微纳结构硅材料对可见光和近红外光的吸收增强。

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电子科技大学硕士学位论文太阳能电池。两年后，该实验室的 Fatima 等[25]在贵金属纳米颗粒基础上，对纳米结构硅材料进行制绒，实验证明制绒步骤能够进一米结构硅材料的太阳能电池性能，将太阳能电池的 IPCE 提升到 112 年，国立台湾大学的 Syu 等[26]在 N 型单晶硅表面采用纳米颗粒的方法，得到了极细的硅纳米线结构，将 N 型纳米线结构与:PSS 结合，制备出的太阳能电池 IPCE 达到 8.4 %。13 年，日本滨松公司发布了基于 MEMS 工艺的硅基光电探测器。明中，只强调了在探测器的背面进行了 MEMS 加工，并未说明有无杂。据猜测，这有可能是广义黑硅的一种。该系列硅基探测器的光如图 1-3 所示（取自滨松产品目录[27]）。从图中可以看出，峰值波长移，达到 1000 nm，而且在 1060 nm 处的响应度达到了 0.6A/W，在应度仍保持有 0.15A/W，相对于普通硅基探测器近红外光的探测能的提高。滨松公司称这种新型硅基探测器为“近红外延伸硅基光电探

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