黑硅无掩模反应离子刻蚀法制备及光学性能研究

采用无掩模反应离子刻蚀法制备了黑硅.利用扫描电子显微镜及紫外-可见-近红外分光光度计研究了黑硅的微结构和光学特性.结果表明,黑硅微结构高度为2.0～3.5 μm,径向尺寸90～400 nm,间距200～610 nm.在400～1 000 nm光谱范围内黑硅吸收率为94％,是单晶硅的1.5倍;在1 200～1 700 nm光谱范围吸收率为55％～60％,是B掺杂单晶硅的20倍.制备的黑硅的光学带隙为0.600 6 eV,吸收光谱明显向红外方向偏移.     

半导体激光器等效电路模型及其参数提取

采用无掩模反应离子刻蚀法制备了黑硅。利用扫描电子显微镜及紫外-可见-近红外分光光度计研究了黑硅的微结构和光学特性。结果表明,黑硅微结构高度为2.0~3.5μm,径向尺寸90~400nm,间距200~610nm。在400~1 000nm光谱范围内黑硅吸收率为94%,是单晶硅的1.5倍;在1 200~1 700nm光谱范围吸收率为55%~60%,是B掺杂单晶硅的20倍。制备的黑硅的光学带隙为0.600 6eV,吸收光谱明显向红外方向偏移。 更多还原     

黑硅光电探测材料与器件研究进展

黑硅作为一种新型光电材料,在光伏太阳能电池、光电探测器、CMOS图像传感器等领域被广泛研究,其中黑硅的光电探测技术备受关注,近些年来也取得了重要的研究进展。本文首先简单介绍了黑硅材料的结构,然后讨论了基于飞秒激光刻蚀法、湿法腐蚀、反应离子刻蚀法等方法制备的黑硅材料的性质。其次概述了基于以上方法制备的不同黑硅光电探测器的结构及性能,并讨论了黑硅器件在不同领域的应用。最后对黑硅光电探测技术进行了分析与展望,探讨了黑硅材料及器件未来的发展方向。     

反应离子刻蚀中的边缘效应及其补偿办法

在反应离子刻蚀中,可以通过提高刻蚀功率来提高反应离子刻蚀速率,但此时由于反应气体浓度分布的影响,Si片中央和边缘的刻蚀速率存在着明显的差异,刻蚀量偏差最多可达±15%以上.本文分析了反应离子刻蚀中不均匀性的产生机理,并通过实验予以验证.进而提出了通过合理设计掩模图形,以减少边缘效应,从而得到均匀刻蚀结果的补偿方法.实验表明,这种补偿方法在刻蚀速率提高近3倍的同时,可以将不均匀性降至±5%以下,适用于对微结构的均匀性要求较高的场所.     

圆锥形仿生蛾眼抗反射微纳结构的研制

采用时域有限差分（FDTD）法对中红外波段（3~5 m）硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析,获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工,对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构,并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明,仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。     

金纳米粒子作掩模的硅纳米柱阵列的加工

利用自组装的方法在硅基片表面形成一层均匀的金纳米粒子掩模,分析了偶联剂对自组装的影响,以金纳米粒子作掩模进行反应离子刻蚀,研究了刻蚀时间对硅纳米柱阵列的影响,提供了一种简单、便宜并且有效的在硅基底上大面积形成纳米柱阵列的纳米加工方法。实验中发现,超过一定刻蚀时间时,有过刻蚀现象发生,在120 s刻蚀时间下,得到了直径小于20 nm,深宽比高达10∶1以上规则、致密、大面积分布的硅纳米柱或硅纳米锥状结构。     

硅各向同性深刻蚀中的多层掩模工艺

掩模制备是硅各向同性刻蚀中的一项重要工艺.要实现深刻蚀,掩模必须满足结构致密、强度大及抗腐蚀性好的要求.一般光刻胶掩模无法在刻蚀液中较长时间地保持其掩蔽性能,很难实现深刻蚀;而金属掩模也容易出现针孔及裂纹等缺陷.因此提出使用Su-8负性光刻胶结合铬金属制备多层掩模.这种掩模结构制备工艺简单,经济实用;提高了掩模在高速刻蚀时的掩蔽性能,实现了深刻蚀.实验表明,其能满足300μm以上深刻蚀的要求,可用于硅及玻璃等材料的微加工.     

富硅氧化硅微盘的制备研究

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)及高温退火工艺制备了富硅氧化硅(SRSO)薄膜材料.喇曼光谱仪探测表明,该材料具有较高的光致发光(PL)效率,并在750 nm波长处达到发光峰值.采用电子束光刻(EBL)及电感耦合反应离子刻蚀(ICP)技术在Si衬底上制备了基于富硅氧化硅材料的光学微盘结构.为防止Si衬底的光吸收,在反应离子刻蚀(RIE)系统中研究出一种各向同性的刻蚀工艺,有效使微盘与Si衬底分离.扫描电镜(SEM)探测表明,该工艺具有良好的尺寸控制及高稳定性.利用该工艺,成功制备了直径为4μm的富硅氧化硅微盘器件.     

质子LIGA工艺的探讨

提出采用掩模法的质子LIGA方法,即利用厚胶光刻产生掩模,然后进行质子束深度刻蚀、显影获得微结构。根据TRIM96程序进行模拟计算,该方法可以获得深度达数毫米、深宽比为30以上的微结构。利用通常的LIGA工艺制备了质子束深度刻蚀的掩模。在高能所35MeV质子加速器上进行曝光试验,结果表明,采用PMMA光刻胶具有足够的灵敏度。     

多晶黑硅表面微结构对电池效率的影响

采用Ag离子辅助化学刻蚀法制备了多晶黑硅薄片,使用NaOH溶液处理多晶黑硅表面,增大其表面纳米孔直径,使SiNx薄膜能够均匀覆盖整个黑硅表面,提高黑硅的钝化效果,进而提高多晶黑硅电池光电转化效率.通过反射谱仪、扫描电子显微镜(SEM)、太阳电池测试系统等测试和表征不同扩孔时间对多晶黑硅各方面性能的影响.结果表明:未被NaOH扩孔处理的多晶黑硅的反射率最低,为5.03％,多晶黑硅太阳电池的光电转化效率为16.51％.当多晶黑硅被NaOH腐蚀40 s时,反射率为10.01％,电池的效率为18.00％,比普通多晶硅太阳电池的效率高2.19％,比未被扩孔处理的多晶黑硅太阳电池的效率高1.49％.     

真空环境下飞秒激光制备的微构造硅的吸收和退火特性

在真空环境下利用飞秒激光制备的黑硅材料,其形貌与SF6气氛中制备的黑硅材料有着很大的区别。为了研究这种真空环境下制备的微构造硅的相关光学特性,通过改变入射脉冲能量研究其峰值变化以及吸收特性,发现当峰值达到一定高度时其对200~2 500 nm波段的光波有95%左右的吸收效率,这与SF6气氛中制备的微构造硅的吸收效率不相上下。最后对两种环境下制备的黑硅样品进行退火处理,发现真空环境下制备的黑硅材料比SF6气氛中制备的黑硅样品具有更好的耐退火性。这些结果对于利用真空环境下制备的微构造硅制作红外传感器具有重要意义。     

High responsivity MSM black silicon photodetector

The effect of annealing temperature on photoelectric properties of metal–semiconductor–metal (MSM) black silicon photodetector has been studied. The black silicon was fabricated by alkaline etching and metal assisted etching. The nanopores and micro-columns formed by the etching process enhance spectral absorptance significantly at wavelength from 250 nm to 1100 nm. The MSM black silicon photodetectors were annealed at different temperatures in N₂ ambient with a rapid thermal annealing (RTA) process. The fast ramp-up and cool-down rate of RTA is a key factor that eliminates the tensile stress and point defects in Si nanoparticle made from metal assisted wet etching, leading to significant increase of mobility, conductivity and carrier concentration. In addition, the photocurrent and spectral responsivities of detectors increase with annealing temperature. At the wavelength of 600 nm, the responsivity (76.8 A/W) at 673 K is almost three orders of magnitude greater than that of the unannealed sample.     

基于MEMS工艺的硅基红外辐射源研制

利用微机电系统( MEMS)制造工艺制备出了一种硅基红外辐射源.该辐射源采用单晶硅为衬底,通过直流溅射沉积Pt/Ti薄膜,并利用深反应离子刻蚀与湿法腐蚀工艺制备隔离槽和释放支撑层.研究了支撑层厚度对红外辐射源辐射特性的影响.结果表明,随着支撑层厚度的减小,红外辐射源的调制驱动电压会降低.当支撑层厚度为1μm时,辐射源调...     

Si在SF6＋N2中反应离子刻蚀及其剖面的研究

本文报导了用ＳＦ＿６＋Ｎ＿２混合气体反应离子刻蚀Ｓｉ及其剖面的实验结果，研究了在刻蚀时，混合气体的成份和射频功率密度对Ｓｉ的蚀速影响以及Ｓｉ的负载效应，通过实验得到了一种获得Ｓｉ的腐蚀垂直剖面的方法，该腐蚀技术在制作微机械马达和周期为４６６．８ｎｍ的二级光栅（线宽０．２μｍ）中得到应用。     

应用于MEMS的多孔硅的制备方法研究

采用化学腐蚀法、单槽电化学腐蚀法和双槽电化学腐蚀法来进行多孔硅的制备,通过对比这三种方法所制备多孔硅的表面形貌特征,发现双槽电化学腐蚀法与其它两种方法相比,具有孔径尺寸小(可达5~10 nm)、均匀性好、腐蚀深度大(可达几百nm)等优点,其制备的多孔硅更符合在MEMS中应用的要求。最后对双槽电化学腐蚀法中腐蚀时间及电流密度对腐蚀速率的影响进行了研究。     

波长和气氛对激光诱导硅表面微结构的影响

为了研究特定气氛下激光辐照对单晶硅表面微结构的影响,采用红外(基频波长1064nm)和紫外(3次谐波波长355nm)YAG纳秒激光脉冲连续辐照方法,分别在SF6、空气、N2和真空环境下对硅表面微结构进行了实验研究。得到红外纳秒激光在SF6和空气中形成的微结构较真空和N2下有更高的纵横比;紫外纳秒激光在SF6和真空中产生的锥形结构比N2和空气中要更为显著,但SF6中形成的微结构上有絮状物的结果。结果表明,激光波长和环境气氛对微结构的形成起着决定性作用,且激光辅助化学刻蚀的效率不同。该结果对深入研究纳秒激光在特定气氛下诱导硅表面微结构是有帮助的。     

Non‐Close‐Packed Crystals from Self‐Assembled Polystyrene Spheres by Isotropic Plasma Etching: Adding Flexibility to Colloid Lithography

Hexagonally ordered arrays of non‐close‐packed nanoscaled spherical polystyrene (PS) particles are prepared exhibiting precisely controlled diameters and interparticle distances. For this purpose, a newly developed isotropic plasma etching process is applied to extended monolayers of PS colloids (starting diameters <300 nm) deposited onto hydrophilic silicon. Accurate size, shape, and smoothness control of such particles is accomplished by etching at low temperatures (?150 °C) with small rates not usually available in standard reactive ion etching equipment. The applicability of such PS arrays as masks for subsequent pattern transfer is demonstrated by fabricating arrays of cylindrical nanopores into Si.     

反应离子刻蚀氮化硅过程的损伤研究

针对反应离子刻蚀氮化硅过程中无图形60 nm栅氧的等离子体损伤问题进行了研究.采用接触电势差技术研究了反应刻蚀中电荷在硅片表面上的沉积,利用非接触式CV测试技术研究了Si/SiO2界面态的变化.研究表明,电荷沉积与Si/SiO2界面态密度增加有较好的对应关系,电荷沉积较多的区域具有更高的界面态密度.然而,电荷沉积量与界面态密度不成正比例.     

微观结构对PZT薄膜反应离子刻蚀的影响

随着锫钛酸铅（PZT）薄膜在铁电微器件中的广泛应用，薄膜微图形化和刻蚀的研究也日益受到重视。研究表明在薄膜的刻蚀过程中，薄膜表面的微观结构和等离子体都对刻蚀有很大的影响。该文研究了具有不同微观结构的薄膜的反应离子刻蚀特性。分别用X-射线衍射图、原子力间力显微镜和X-射线光电子能谱对薄膜表面的微观结构、形貌及刻蚀特性进行测量。结果表明，随着薄膜最终热处理温度升高，薄膜表面越来越致密，刻蚀速率也随之降低。当薄膜处于无定形态结构时薄膜的刻蚀速率较高，最高可达13m／min。