【摘要】：硅不僅易提取,耐高溫,成本低,而且儲量較為豐富,因而是目前使用最為廣泛的一種半導(dǎo)體材料。但是,單晶硅材料的禁帶寬度為1.124 eV(300 K),只能對可見光進(jìn)行有效吸收,無法完全滿足硅基光電探測器在紅外波段的需求。采用物理或者化學(xué)的方法對單晶硅表面進(jìn)行微納刻蝕及元素?fù)诫s,不僅能夠形成良好的陷光結(jié)構(gòu),還可以改變硅材料的能帶結(jié)構(gòu),使其具備一定的近紅外探測能力,是近年來國內(nèi)外光電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和前沿之一。本文分別采用飛秒激光燒蝕、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝刻蝕和金屬催化腐蝕三種不同的方法制備微納結(jié)構(gòu)硅材料,對比研究其表面形貌、光譜吸收特性和金半歐姆接觸特性;用SiN_x薄膜對微納結(jié)構(gòu)硅材料表面進(jìn)行鈍化處理,對比研究鈍化前后微納結(jié)構(gòu)硅材料少子壽命的變化規(guī)律。取得的主要研究結(jié)果如下:(1)采用飛秒激光在不同激光功率、掃描速度以及氣體氛圍下得到的黑硅材料,在400 nm~2000 nm范圍內(nèi)比單晶硅的光譜吸收率有顯著提升。其中,采用200 mW、1 mm/s和SF_6制備得到的黑硅材料,尖錐結(jié)構(gòu)密集、尖錐完整、光譜吸收率較高,在近紅外區(qū)的光譜吸收率可達(dá)到90%左右。(2)采用MEMS工藝在不同圖案周期和刻蝕深度制備得到的微結(jié)構(gòu)硅材料,在可見光波段的吸收率有一定提升,但在近紅外波段的吸收率提升不明顯。其中,圖案周期D=4μm/T=6μm、循環(huán)刻蝕70次制備得到的微結(jié)構(gòu)硅材料,結(jié)構(gòu)周期排列、光譜吸收率較高,在400 nm~1100 nm范圍內(nèi)的光譜吸收率達(dá)到70%左右。(3)采用金屬催化腐蝕在不同腐蝕方法和鍍銀時間制備得到的納米結(jié)構(gòu)硅材料,在可見光波段和近紅外波段的光譜吸收率較單晶硅材料有明顯提升。其中,鍍銀時間為60 s制備得到的納米結(jié)構(gòu)硅材料,尖錐結(jié)構(gòu)最細(xì)密、完整,光譜吸收率較高,在400 nm~1100 nm范圍內(nèi)的光譜吸收率提高到90%以上,而在1100nm~2000 nm范圍內(nèi)的光譜吸收率提高到70%左右。(4)用飛秒激光燒蝕、MEMS工藝刻蝕和金屬催化腐蝕三種不同方法制備得到的微納結(jié)構(gòu)硅材料,能夠與Ag/NiCr形成良好的歐姆接觸,接觸電阻較小,其中金屬催化腐蝕制備的納米結(jié)構(gòu)硅接觸電阻最小。(5)單晶硅表面經(jīng)三種工藝刻蝕后,少子壽命有一定程度的降低。采用SiN_x薄膜對微納結(jié)構(gòu)硅材料進(jìn)行鈍化處理,能顯著降低載流子復(fù)合、提升少子壽命。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN304.12
【圖文】：

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2 微納結(jié)構(gòu)硅材料及其應(yīng)用.2.1 表面結(jié)構(gòu)種類及特點(diǎn)貝爾實(shí)驗室的 Uhlirs 等人[9]早在上世紀(jì) 50 年代，將單晶硅放入通以電流F 酸溶液中，在其表面形成了具有密集多孔的微結(jié)構(gòu)層，這便是多孔硅。由孔硅具有容易制備、陷光和發(fā)光特性，因此在當(dāng)時成為熱門的研究課題。在上世紀(jì)末，哈佛大學(xué)的 Eric Mazur 教授團(tuán)隊得到尖錐狀陣列的微結(jié)構(gòu)硅于這種特殊的硅材料看上去呈黑色，故而稱其為“黑硅”（Black Silicon，BSEM 截面圖如圖 1-1 所示。在發(fā)現(xiàn)黑硅后，Mazur 等人又對飛秒激光燒蝕黑硅背景氣氛如真空、空氣、SF6、N2等進(jìn)行了研究，分析對比了不同背景氣氛下制備黑硅材料的宏觀、微觀形貌，并解釋了光譜高吸收的原因。研究發(fā)現(xiàn)在較寬的光譜范圍內(nèi)光譜吸收率都很高，較傳統(tǒng)硅材料有質(zhì)的飛躍。正是由硅材料具有的這一優(yōu)良特性，使其為新型硅光電探測器提供了良好的材料支持

第一章 緒 論備的黑硅尖錐演化過程、黑硅的光學(xué)特性以及黑硅的熱學(xué)性能。了 Mazur 團(tuán)隊提出的黑硅，還有其他一些人通過各種物理或化學(xué)單晶硅材料，在其表面形成分布均勻且有一定深度的尖錐、孔、過多年的發(fā)展，制備微納結(jié)構(gòu)硅材料的方法也日益成熟且多樣化雜的元素也由原來的 S 擴(kuò)充到了 Se、Te 等氧族元素。目前，制料比較常用的方法有飛秒激光燒蝕[16]、MEMS 工藝刻蝕[17]、金屬米壓印刻蝕[19]等，這些材料中的部分如 MEMS 結(jié)構(gòu)和金屬誘導(dǎo)以結(jié)合二次離子注入工藝[20]，將 S 等氧族元素注入進(jìn)硅材料表而實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)硅材料對可見光和近紅外光的吸收增強(qiáng)。

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文太陽能電池。兩年后，該實(shí)驗室的 Fatima 等[25]在貴金屬納米顆�；A(chǔ)上，對納米結(jié)構(gòu)硅材料進(jìn)行制絨，實(shí)驗證明制絨步驟能夠進(jìn)一米結(jié)構(gòu)硅材料的太陽能電池性能，將太陽能電池的 IPCE 提升到 112 年，國立臺灣大學(xué)的 Syu 等[26]在 N 型單晶硅表面采用納米顆粒的方法，得到了極細(xì)的硅納米線結(jié)構(gòu)，將 N 型納米線結(jié)構(gòu)與:PSS 結(jié)合，制備出的太陽能電池 IPCE 達(dá)到 8.4 %。13 年，日本濱松公司發(fā)布了基于 MEMS 工藝的硅基光電探測器。明中，只強(qiáng)調(diào)了在探測器的背面進(jìn)行了 MEMS 加工，并未說明有無雜。據(jù)猜測，這有可能是廣義黑硅的一種。該系列硅基探測器的光如圖 1-3 所示（取自濱松產(chǎn)品目錄[27]）。從圖中可以看出，峰值波長移，達(dá)到 1000 nm，而且在 1060 nm 處的響應(yīng)度達(dá)到了 0.6A/W，在應(yīng)度仍保持有 0.15A/W，相對于普通硅基探測器近紅外光的探測能的提高。濱松公司稱這種新型硅基探測器為“近紅外延伸硅基光電探

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