[發明專利]一種基于LSP效應制備“彈坑狀”多孔硅結構的方法

有效

• 申請號: 201310182159.5
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103258718A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 李美成;丁瑞強;戴菡;李曉丹
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術領域

本發明屬于硅基LED與太陽能電池技術領域，特別涉及一種基于LSP效應制備“彈坑狀”多孔硅結構的方法。

背景技術

由于硅材料來源廣泛、成本較低、制備工藝成熟，所以在微電子與光電轉換器件領域占有重要的地位。隨著硅材料的研發和利用，在表面構建多孔硅結構是對硅材料修飾和改進的重要途徑和手段，由于多孔硅結構通常具有良好的光學（光致發光、陷光）及電學（電致發光等）性能，所以制備不同形貌的多孔硅是目前的研究熱點。利用Ag顆粒輔助酸刻蝕是一種常用的簡單、有效的制備多孔硅結構的方法。在酸刻蝕基礎上，利用濺射的手段在硅片表面沉積一層均勻分布的納米級厚度、非連續的Ag顆粒在一定波長光的照射情況下激發表面等離子激元（LSP）效應，可以產生光催化增效的性質，因此將激光照射引入傳統Ag納米顆粒輔助酸蝕工藝，不但可以提高刻蝕速率，而且可以制備出具有優異性能的新型多孔硅結構。該方對設備沒有特殊要求、操作容易、可控性好，具有很好的重現性，而且能與傳統的硅材料制備工藝結合。由此可見，在開發簡單、高效的硅表面微納結構制備技術上具有明顯的優勢，同時在硅基LED與太陽能電池材料表面結構制備上具有現實的應用價值。

發明內容

針對現有的酸刻蝕技術的單一性，本發明提供了一種基于LSP效應制備“彈坑狀”多孔硅結構的方法。

一種基于LSP效應制備“彈坑狀”多孔硅結構的方法，其采用完備硅片清洗工藝，保證了得到表面清潔的單晶硅片；然后利用濺射-氮氣氛退火工藝在硅片表面覆蓋一層不連續的Ag納米顆粒，最后用激光照射酸刻蝕過程的方法來實現硅表面“彈坑狀”多孔硅結構制備的目的，其具體步驟如下：

a.硅片清洗：將單晶硅片浸泡在丙酮溶液中超聲清洗10～20min，除去硅片表面的有機污染物，然后用去離子水超聲清洗3次，每次10～20min；清洗后的硅片放在CP4A洗液中浸泡2～3min，去除硅片表面的劃傷；然后放入濃度為6～7mol/L的氫氟酸溶液中浸泡2～3min，除去氧化層；最后再用去離子水超聲清洗3次，每次10～20min，清洗完后氮氣吹干，所述CP4A洗液是由質量分數為40%的HF、質量分數為60%～70%的HNO₃、CH₃COOH、H₂O組成的混合溶液，其中質量分數為40%的HF、質量分數為60%～70%的HNO₃、CH₃COOH、H₂O的體積比為3:5:3:22；

b.在濺射電流為5～35mA、濺射時間為5～40s的條件下，利用高分辨磁控離子濺射在已清洗好的硅表面鍍一層Ag薄膜；

c.退火：在氮氣氛環境下，壓強為2～5MPa的條件下，在300～450℃溫度下退火3～4h，在樣品表面形成一層不連續的Ag納米顆粒；

d.激光照射Ag納米顆粒輔助酸刻蝕過程：在室溫25℃條件下，把通過步驟c處理好的硅片浸泡在由質量分數為40%的HF、H₂O₂和H₂O組成的刻蝕液中，其中質量分數為40%的HF、H₂O₂和H₂O的體積比為1:5:10，用波長為380～500nm，功率為5～15mW的激光照射刻蝕50～70秒，最終在光照區域內的硅表面獲得“彈坑狀”多孔硅結構。

所述步驟a中單晶硅片為單面拋光的P(111)單晶硅片，其電阻率為1～3Ω·cm。

所述步驟b中濺射電流為10～25mA，濺射時間為10～30s。

所述步驟c中所得到的激發LSP效應的Ag納米顆粒直徑為40～200nm。

一種“彈坑狀”多孔硅結構，所述多孔硅結構是基于LSP效應，并通過上述方法制備得到的。

本發明的有益效果為：

本發明方法把激光照射Ag納米顆粒激發的LSP效應引入到酸刻蝕過程中，得到了一種普通的酸刻蝕無法獲得的“彈坑狀”多孔硅結構。該方法的獨特之處在于，利用了激光照射Ag納米顆粒所激發的LSP效應對刻蝕形貌及速率的影響，從而獲得了一類特殊的多孔硅結構，這種全新的制備方法為制備新型多孔硅材料提供了有效的技術手段，同時也為硅基LED及太陽能電池的開發提出了新思路。本發明將激光照射應用在酸刻蝕過程中，無特殊條件要求、操作容易、可控性好，且磁控濺射-退火沉積Ag納米顆粒工藝比化學合成、電鍍、銀鏡反應、蒸鍍或自組裝等方法簡單，高效、均勻，也是制備出“彈坑狀”新型多孔硅結構的重要條件。