[發明專利]采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法

無效

• 申請號: 200910078864.4
• 申請日: 2009-03-04
• 公開（公告）號: CN101824653A
• 公開（公告）日: 2010-09-08
• 發明（設計）人: 梁松;朱洪亮;林學春;韓培德;王寶華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: C30B33/00
• 分類號: C30B33/00;C30B31/20;H01L31/0288;H01L31/102
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及半導體光電子材料技術領域，特別涉及一種采用寬脈沖激 光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法。

背景技術

近年來，基于高強度激光掃描輻照的材料表面加工技術受到了廣泛的 關注。美國哈佛大學的研究者用高強度飛秒激光器光源掃描硅表面，得到 了尺寸精細的金字塔錐形微結構新材料，即所謂的黑硅材料。

黑硅材料的光吸收效率顯著提高(MRS?Belletin，31(2006)594)。 尤其當將硅片置于硫系氣體如SF₆，H₂S等環境下時，激光器光源掃描后 得到的黑硅材料，在250～2500nm的光譜范圍內對光的吸收效率都超過 90％(Appl.Phys.Lett.，84(2004)1850)。

將該黑硅材料應用于器件制作可以大幅度提高相關硅基光電器件的 性能。例如，利用該種材料制作的硅基光電二極管，器件1000nm波長上 的響應度達到120A/W，比普通商用硅基光電二極管高兩個數量級，在 1330nm和1550nm波長上的響應度分別為50mA/W和35mA/W，比普通 商用硅基光電二極管高五個數量級(Optics?Letters，30(2005)1773)。

目前，在已經公開的黑硅材料制作技術中，所使用的激光器光源都為 波長≤800nm的窄脈沖飛秒激光器光源，光源波長遠小于硅材料的帶隙波 長，使得光對硅的作用僅限于硅表面數微米的厚度范圍內。

另外，所用的高功率窄脈沖飛秒激光器光源結構復雜，價格高昂，不 利于工業化制作黑硅材料。

發明內容

(一)要解決的技術問題

有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種采用寬脈沖激光器光源掃 描輻照制作黑硅材料的方法，以制作出對全太陽光譜有強吸收作用的硅微 錐、微粒和微孔的黑硅微結構材料。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照 制作黑硅材料的方法，該方法包括：

步驟1：將硅片置于硫系物質環境中；所述硫系物質環境為氣態環境、 粉末態環境或者液態環境；所述氣態環境為H₂S或SF₆氣態環境，粉末態 環境為S粉末、Se粉末或Te粉末粉末態環境，液態環境為H₂SO₄或 (NH₄)₂SO₄液態環境；

步驟2：利用經過透鏡聚焦的激光掃描輻照硅片表面，形成具有硅微 錐、硅微粒和硅微洞的黑硅材料；所述經過透鏡聚焦的激光，其波長為 1064nm，脈沖寬度為納秒或微秒或毫秒直至連續直流模式，脈沖頻率為 1～10KHz；所述經過透鏡聚焦的激光，在硅表面單位面積上的照射能量 密度大于硅的熔化閾值1.5KJ/m²。

上述方案中，步驟1中所述硅片為(100)或(111)晶向的n型或p 型硅片。

上述方案中，步驟2中所述在硅片表面層制作出的硅微錐、硅微粒和 硅微洞的長度為0.1～50μm，寬度為0.1～50μm，高度為0.1～50μm。

上述方案中，步驟2中所述黑硅材料，其表面具有10²⁰cm^-3的硫系原 子摻雜濃度層。

上述方案中，步驟2中所述黑硅材料對波長在0.2～2.5μm范圍內的光 具有大于85％的吸收率。

上述方案中，步驟2中所述所述激光經過透鏡聚焦后照射在硅表面， 硅表面處在焦點處或者處在欠焦或過焦位置。

(三)有益效果

1、本發明提供的這種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料 的方法，所使用的激光脈沖寬度為納秒或微秒或毫秒甚至連續直流模式， 波長為1064nm。用這類寬脈沖激光器光源掃描置于硫系物質環境下的硅 晶片，可以制作出對全太陽光譜有強吸收作用的硅微錐、微粒和微孔的黑 硅微結構材料。

2、相對于飛秒激光器，市售寬脈沖激光器光源價格便宜，具有各種 光功率規格，制作黑硅的成本大大降低，利于黑硅材料的制作和普及應用；

3、1064nm波長與硅的帶隙波長接近，能增加激光與硅的作用深度， 便于制作新型硅微錐、微粒和微孔黑硅材料；