拓宽黑硅吸收光谱范围技术研究
发布时间：2020-12-22 04:46
黑硅（B-Si）由于其优异的陷光性能以及宽光谱吸收特点广泛应用于太阳能收集和光电探测器等领域。然而,在硅禁带宽度（Eg=1.12eV）的影响下,黑硅在1100nm以上波段光谱的吸收迅速下降。虽然通过优化黑硅结构延长吸收光程,或引入杂质能级突破硅禁带限制,都能在一定程度上改善黑硅红外吸收性能,但有限的提升仍制约了黑硅在红外波段的应用。为进一步推广黑硅应用,进行拓宽黑硅吸收光谱范围技术研究成为了黑硅领域的研究热点。本文通过在黑硅表面制备金属微纳结构,利用金属微纳结构在光场作用下激发的局域表面等离子激元效应,达到了拓宽黑硅吸收光谱范围的目的。根据从仿真到实验的研究方案,首先通过逐步仿真,完成了多种金属微纳结构覆盖黑硅的仿真模型搭建,并进行了光学性能分析;在实验中提出利用“双重阴影遮蔽效应”在黑硅表面实现一步制备金属微纳结构的方法,显著提升了黑硅近红外光吸收性能;最后进行了基于等离子激元复合黑硅的Si-PIN光电探测器的试制,并对器件关键参数进行测试分析。研究获得如下结论:1.黑硅模型的结构决定了其基本的陷光性能,且其陷光性能也因结构维度变化而具备可调性,通过增加黑硅模型...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞秒激光制备黑硅陷光结构和光学特性[2]
电子科技大学硕士学位论文21.2黑硅相关简介哈佛大学Mazur团队飞秒激光方式制备黑硅展示的优异光学性能，使黑硅工艺成为热门的硅材料性能优化手段，相关研究也日益成熟。如今，伴随着工业应用的需求，已经出现了各式各样的黑硅制备手段，其具体的黑硅定义和性能也出现了新的变化，同时其应用领域也面临着新的突破方向。本节介绍了黑硅的起源和当今主流黑硅的发展与应用，并简要分析了拓展黑硅吸收光谱范围技术的可行方法。1.2.1黑硅起源早期黑硅是单晶硅在腐蚀气体氛围中，经激光辐照形成了微纳尖锥结构表面，如图1-1(a)，之所以呈现黑色是因为黑硅表面存在大量尖锥状的硅微结构，当入射光进入黑硅结构中时，会在尖锥间多次反射，透射和散射，大大增加了硅的有效吸收面积，和入射光在硅材料内的传播光程。同时在黑硅表面的超饱和掺杂层中，存在大量的杂质和缺陷形成的杂质能级，这些杂质能级嵌入在硅的禁带之间，打破了硅材料的禁带宽度限制，实现了硅材料对红外光的吸收。所以，该黑硅具备从可见光到近红外宽光谱高吸收的优异性能，如图1-1(b)，这也是早期狭义上的黑硅光学特性。图1-1飞秒激光制备黑硅陷光结构和光学特性[2]继Mazur团队后，科研人员对飞秒激光制备黑硅材料的方法，以及光学特性进行了进一步的研究。R.Younkin团队[10]进行了空气，SF6，N2和Cl2不同背景氛围的黑硅制备研究，得到了光吸收率与气体浓度的关系曲线，指出S元素的高浓度掺杂将显著提高黑硅近红外波段的吸收率。S.I.Kudryashov等人[11]研究了在同激光频率辐照下，改变激光脉冲数对黑硅制备形貌的影响，发现制备的黑硅尺寸随使用脉冲数的增加而增加的制备规律。M.J.Sher等人[12]利用傅里叶红外光谱仪测试了基于硫族元素的超饱和掺杂的黑硅，发现飞秒激光制备掺S、
第一章绪论3料的相关研究日益成熟，基于飞秒激光制备的黑硅在光电探测器件中应用也多有报道[13-14]。这些器件突破了硅禁带限制，具备优秀的宽光谱响应性能。1.2.2广义黑硅的出现及发展虽然飞秒激光制备黑硅性能优异，但由于飞秒激光加工设备价格昂贵，并且其加工硅材料的过程比较费时，同时还面临着飞秒激光黑硅退火后红外吸收性能下降的问题[15]，种种不利因素导致飞秒激光黑硅无法在工业生产中大量地制备应用。因此，研究人员开始在主流的半导体加工工艺中，寻求制备类似黑硅材料的方法。如今，在黑硅陷光概念的基础上，人们研究出了各种简易的黑硅制备方法，它们包括：反应离子刻蚀（ReactiveIonEtching，RIE）、酸碱溶液腐蚀、金属辅助刻蚀、电化学刻蚀等等[16-20]。不同制备途径导致其制备的黑硅结构特征也大相径庭，如图1-2所示。图1-2不同工艺的黑硅制备形貌随着基于常规半导体工艺制备的上述各类不同陷光结构黑硅的出现，研究人员对“黑硅”也进行了新的定义，即黑硅是一种具有表面陷光结构，并拥有明显的减反效果的硅基材料。这也是我们现在所说的“广义黑硅”，由于未进行特殊的饱和掺杂过程，不同于“狭义黑硅”，它们并不强调自身的红外吸收性能。图1-3中为M.Otto等人[21]总结的主流黑硅光学吸收性能对比曲线，当中也提供了平面硅、完美增透膜和朗伯散射体的吸收率光谱曲线作为参照。从中可以了解到，主流的广义黑硅具备紫外到可见光优异的陷光性能，并且在Si禁带边缘区域的光吸收性能明显优于常规的完美增透膜结构。然而，由于未能进行能带结构上的改变，主流黑反应离子刻蚀金属辅助刻蚀酸腐蚀碱腐蚀电化学刻蚀
【参考文献】：
期刊论文
[1]酸腐多晶硅太阳电池表面织构的研究[J]. 王立建,刘彩池,陈玉武,辛国军,左云翔,章灵军. 电源技术. 2008(11)
[2]SPR生物传感器的特点及其在生物特异性相互作用分析中的应用[J]. 段媛媛,刘德立. 生物技术通讯. 2002(01)
硕士论文
[1]黑硅光电探测器关键技术研究[D]. 马世俊.电子科技大学 2018
[2]氮化钛薄膜的制备及其光、电性能的研究[D]. 朱秀榕.南昌大学 2008
本文编号：2931156
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：98 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
飞秒激光制备黑硅陷光结构和光学特性[2]
电子科技大学硕士学位论文21.2黑硅相关简介哈佛大学Mazur团队飞秒激光方式制备黑硅展示的优异光学性能，使黑硅工艺成为热门的硅材料性能优化手段，相关研究也日益成熟。如今，伴随着工业应用的需求，已经出现了各式各样的黑硅制备手段，其具体的黑硅定义和性能也出现了新的变化，同时其应用领域也面临着新的突破方向。本节介绍了黑硅的起源和当今主流黑硅的发展与应用，并简要分析了拓展黑硅吸收光谱范围技术的可行方法。1.2.1黑硅起源早期黑硅是单晶硅在腐蚀气体氛围中，经激光辐照形成了微纳尖锥结构表面，如图1-1(a)，之所以呈现黑色是因为黑硅表面存在大量尖锥状的硅微结构，当入射光进入黑硅结构中时，会在尖锥间多次反射，透射和散射，大大增加了硅的有效吸收面积，和入射光在硅材料内的传播光程。同时在黑硅表面的超饱和掺杂层中，存在大量的杂质和缺陷形成的杂质能级，这些杂质能级嵌入在硅的禁带之间，打破了硅材料的禁带宽度限制，实现了硅材料对红外光的吸收。所以，该黑硅具备从可见光到近红外宽光谱高吸收的优异性能，如图1-1(b)，这也是早期狭义上的黑硅光学特性。图1-1飞秒激光制备黑硅陷光结构和光学特性[2]继Mazur团队后，科研人员对飞秒激光制备黑硅材料的方法，以及光学特性进行了进一步的研究。R.Younkin团队[10]进行了空气，SF6，N2和Cl2不同背景氛围的黑硅制备研究，得到了光吸收率与气体浓度的关系曲线，指出S元素的高浓度掺杂将显著提高黑硅近红外波段的吸收率。S.I.Kudryashov等人[11]研究了在同激光频率辐照下，改变激光脉冲数对黑硅制备形貌的影响，发现制备的黑硅尺寸随使用脉冲数的增加而增加的制备规律。M.J.Sher等人[12]利用傅里叶红外光谱仪测试了基于硫族元素的超饱和掺杂的黑硅，发现飞秒激光制备掺S、
第一章绪论3料的相关研究日益成熟，基于飞秒激光制备的黑硅在光电探测器件中应用也多有报道[13-14]。这些器件突破了硅禁带限制，具备优秀的宽光谱响应性能。1.2.2广义黑硅的出现及发展虽然飞秒激光制备黑硅性能优异，但由于飞秒激光加工设备价格昂贵，并且其加工硅材料的过程比较费时，同时还面临着飞秒激光黑硅退火后红外吸收性能下降的问题[15]，种种不利因素导致飞秒激光黑硅无法在工业生产中大量地制备应用。因此，研究人员开始在主流的半导体加工工艺中，寻求制备类似黑硅材料的方法。如今，在黑硅陷光概念的基础上，人们研究出了各种简易的黑硅制备方法，它们包括：反应离子刻蚀（ReactiveIonEtching，RIE）、酸碱溶液腐蚀、金属辅助刻蚀、电化学刻蚀等等[16-20]。不同制备途径导致其制备的黑硅结构特征也大相径庭，如图1-2所示。图1-2不同工艺的黑硅制备形貌随着基于常规半导体工艺制备的上述各类不同陷光结构黑硅的出现，研究人员对“黑硅”也进行了新的定义，即黑硅是一种具有表面陷光结构，并拥有明显的减反效果的硅基材料。这也是我们现在所说的“广义黑硅”，由于未进行特殊的饱和掺杂过程，不同于“狭义黑硅”，它们并不强调自身的红外吸收性能。图1-3中为M.Otto等人[21]总结的主流黑硅光学吸收性能对比曲线，当中也提供了平面硅、完美增透膜和朗伯散射体的吸收率光谱曲线作为参照。从中可以了解到，主流的广义黑硅具备紫外到可见光优异的陷光性能，并且在Si禁带边缘区域的光吸收性能明显优于常规的完美增透膜结构。然而，由于未能进行能带结构上的改变，主流黑反应离子刻蚀金属辅助刻蚀酸腐蚀碱腐蚀电化学刻蚀
【参考文献】：
期刊论文
[1]酸腐多晶硅太阳电池表面织构的研究[J]. 王立建,刘彩池,陈玉武,辛国军,左云翔,章灵军. 电源技术. 2008(11)
[2]SPR生物传感器的特点及其在生物特异性相互作用分析中的应用[J]. 段媛媛,刘德立. 生物技术通讯. 2002(01)
硕士论文
[1]黑硅光电探测器关键技术研究[D]. 马世俊.电子科技大学 2018
[2]氮化钛薄膜的制备及其光、电性能的研究[D]. 朱秀榕.南昌大学 2008
本文编号：2931156
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