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。     

用于太阳能电池的多晶硅激光表面织构化研究

介绍了利用激光制备多晶硅表面织构的研究结果。采用激光在硅片表面刻蚀,然后利用化学方法去除残渣和损伤,制得均匀的表面陷光结构。通过扫描电子显微镜,HitachiU-4100分光光度计和Semilab WT2000少子寿命仪分析了表面织构化后硅片的表面形貌、反射率和少子寿命。通过调节激光和化学腐蚀参数得到很好的陷光效果,表面反射率最低可以降到约10%。但是激光刻蚀对硅片性能仍有一定损伤,有待改进。激光表面织构为多晶硅的减反射处理提供有效的途径。     

背照式CMOS图像传感器的硅减薄湿法刻蚀工艺

针对背照式CMOS图像传感器制作工艺,提出了一种采用氢氧化四甲基铵液进行湿法刻蚀的背部硅片减薄工艺。分析了硅减薄工艺的整体流程,针对化学机械研磨后的湿法刻蚀工艺进行了实验。通过调整反应时间、硅片转速、喷嘴速度和摆幅,得到最优刻蚀参数,使厚度均值达到目标值,平整度控制在一定范围内。该湿法刻蚀工艺中,首先对硅片表面形貌进行修正,接着对硅片进行整体刻蚀,达到目标厚度,最后通过减薄得到BSI背部硅片。采用该硅片制作的图像传感器的成像质量得到提高。     

铜辅助单步化学刻蚀多晶硅(英文)

介绍了一种用铜作催化剂,辅助单步湿法刻蚀多晶硅片的工艺。该方法具有成本低廉和操作简易的特点。系统研究了反应物浓度和温度对刻蚀速率以及刻蚀后硅片表面形貌的影响,并据此通过调节反应物浓度cHF∶cH2O2=6 mol/L∶2 mol/L,cCu(NO3)2=0.08 mol/L以及反应温度至60℃,得出了最佳的刻蚀参数配比。制备出的多晶硅纳米结构表面,平均反射率在宽波段内降低到5%,陷光减反作用明显。可引用空穴注入模型解释不同反应物浓度下硅片表面形貌的形成机理。通过公式拟合与实验结果的对比,提出了反应活化能以及铜与硅片的接触面积是影响刻蚀过程的内在因素。     

铁掺杂对不同导电类型硅材料电阻率的影响

采用电阻率为4.8.cm的p型硅片和10.cm的n型硅片,通过高温扩散法制备出了Fe掺杂的补偿硅材料。在室温避光条件下,测量样品电阻率ρ,并用XRD对扩散后的样品进行分析,研究了Fe掺杂对不同导电类型硅材料电阻率的影响。结果表明:相对于n型硅材料,深能级杂质Fe掺杂对p型硅材料电阻率的影响更大,其Fe掺杂p型硅材料电阻率远大于Fe掺杂n型硅材料;当p型硅表面Fe扩散源浓度为1.74×10–5mol/cm2时,在1 200℃下扩散1 h后,材料具有最大电阻率7 246.cm。     

铁掺杂对不同导电类型硅材料电阻率的影响

采用电阻率为4.8Ω·cm的p型硅片和10Ω·cm的n型硅片,通过高温扩散法制备出了Fe掺杂的补偿硅材料.在室温避光条件下,测量样品电阻率p,并用XRD对扩散后的样品进行分析,研究了Fe掺杂对不同导电类型硅材料电阻率的影响.结果表明:相对于n型硅材料,深能级杂质Fe掺杂对p型硅材料电阻率的影响更大,其Fe掺杂p型硅材料电阻率远大于Fe掺杂n型硅材料;当p型硅表面Fe扩散源浓度为1.74× 10-5 mol/cm2时,在1 200℃下扩散1h后,材料具有最大电阻率7 246Ω· cm.     

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。     

微腐蚀去除硅衬底表面损伤及污染物研究

硅片CMP工艺会引入表面缺陷和沾污,通常采用NaOH和KOH作为腐蚀溶液,利用微腐蚀法将硅片表面的损伤污染层剥离,以免导致IC制备过程中产生二次缺陷,但会不可避免地引入金属离子。制备了一种用螯合剂和表面活性剂复配的新型清洗液,利用螯合剂对硅片表面损伤层进行微腐蚀,同时采用表面活性剂去除硅片表面吸附的微粒。经台阶仪和原子力显微镜检测,该清洗液能有效去除硅片表面损伤层和颗粒,同时螯合剂本身不含金属离子,并且对金属离子有螯合作用,可有效避免传统腐蚀液中金属离子带来的二次污染。     

无酸水热法制备多孔硅及其PⅢ表面改性

采用无酸水热法,制备了多孔硅材料.使用扫描电子显微镜、原子力显微镜等手段观察了样品表面形貌,比较了在不同氧化铋刻蚀剂量下得到的多孔硅结构,发现随着刻蚀剂浓度的增加,平均孔径尺寸变大,且孔径分布趋于离散.使用等离子浸没注入技术,对多孔硅样品进行了表面注氮处理.室温荧光光谱研究发现处理后的样品的光谱峰位产生了蓝移,根据X光电子能谱仪检测的结果发现样品表面形成了Si-NxOy相,这一物相的出现导致了光谱的蓝移.     

金属铝刻蚀工艺简介

在集成电路的制造过程中．刻蚀就是利用化学或物理方法有选择性地从硅片表面去除不需要的材料的过程。从工艺上区分．刻蚀可以分为湿法刻蚀和干法刻蚀。前者的主要特点是各向同性刻蚀后者是利用等离子体来进行各向异性刻蚀，可以严格控制纵向和横向刻蚀。     

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％.     

湿法黑硅工艺中银残留对太阳电池性能的影响

采用银金属辅助化学腐蚀技术在多晶硅衬底上制备了黑硅绒面,通过能谱仪、扫描电子显微镜和反射率测试仪对所制备黑硅样品的表面银金属残留、形貌和光吸收进行了表征和分析。在此基础之上,通过扩散、腐蚀清洗、镀膜和印刷烧结测试等工序,将多晶黑硅样品制备成太阳电池片,并通过I-V和EL测试仪对其光伏性能和电致发光特性进行了测量和分析。结果表明,与无银残留样品规则、均匀的圆形腐蚀坑绒面相比,黑硅制备过程中如果有银离子残留在表面,扩孔后的表面形貌呈现为方向杂乱和深浅不一的凹坑状形貌,且凹坑周围边界尖锐、形状不规则,制备成电池后转换效率偏低3.03%。     

丝网印刷制备黑硅太阳电池及其性能表征

采用纳米金颗粒催化腐蚀的方法在硅片表面制备得纳米多孔结构,实现了1.5%（300-1200 nm）的权重反射率。本文采用OPCl3扩散、丝网印刷制备前后电极及共烧等常规太阳电池工艺来制备黑硅太阳电池,对不同腐蚀深度及不同扩散方阻的黑硅太阳电池片的输出电性能进行了分析,并对制备工艺进行了优化,提高了电池的转换效率,实现了丝网印刷制备12.17%的黑硅太阳电池转换效率。     

黑硅微结构与光学特性研究

利用无掩模反应离子刻蚀法制备黑硅,研究了黑硅微结构密度和高度对其光学特性的影响.采用场发射扫描电子显微镜和带积分球的紫外-可见-近红外分光光度计分别表征黑硅微结构形貌和光学特性.研究结果表明,黑硅微结构密度增大和高度增加,则黑硅吸收率增大,高度较大的微结构更加有利于增强黑硅近红外光吸收.无掩模反应离子刻蚀法制备的黑硅的吸收率在高温退火过程中保持稳定.     

Monolithic 3-D silicon photonics

A monolithic CMOS compatible process has been developed to realize vertically integrated devices in silicon. The method involves the implantation of an oxygen into a patterned silicon substrate to form buried guiding structures. These buried devices are separated from a surface silicon layer by an intervening layer of silicon dioxide formed through the implantation process. Photolithography and etching is used to define devices on the surface silicon layer. The method has been utilized to realize the vertically coupled microdisk resonators and a variety of microresonator-based integrated optical elements. A new method for extraction of the unloaded Q of a cavity from its measured spectrum is also described.     

准分子激光电化学刻蚀硅的刻蚀质量研究

为了解决现有硅刻蚀工艺中存在的刻蚀质量等问题,采用激光加工技术和电化学加工技术相结合的工艺对硅进行了刻蚀,研究了该复合工艺的工艺特性。实验中采用248nm-KrF准分子激光作光源聚焦照射浸在KOH溶液中的阳极n-Si上,实现激光诱导电化学刻蚀。在实验的基础上,研究了激光电化学刻蚀Si的刻蚀孔的基本形貌,并对横向刻蚀和背面冲击等质量问题进行了分析。结果表明,该工艺刻蚀的孔表面质量好、垂直度高;解决了碱液中Si各向异性刻蚀的自停止问题,具有加工大深宽比微结构的能力;也具有不需光刻显影就能进行图形加工的优越性。     

多晶硅太阳电池背表面刻蚀提升其性能的产线工艺研究

对比研究了产线上多晶硅太阳电池背表面刻蚀对 其光电转换性能的影响。示范性实验结果表明:多晶硅太阳电池背表面刻蚀能够改善其短路 电流, 从而相应的光电转换效 率提升了约 0．1％。依据多晶硅太阳电池背表面刻蚀前后的扫描 电镜(SEM)形貌、背表面漫 反射光谱及完整电池片外量子效率的测试结果,改进的光电转换的原因可能源于背表面刻蚀 “镜面”化有利于太阳光子在背表面内反射和改进印刷Al浆与背表面覆盖接触。背表面刻蚀 与当前晶硅电池产线工艺兼容,能够提升电池片的光电转换效率,是一种可供选择的产线升 级工艺。     

Metal‐Catalyzed Etching of Vertically Aligned Polysilicon and Amorphous Silicon Nanowire Arrays by Etching Direction Confinement

A systematic study of metal‐catalyzed etching of (100), (110), and (111) silicon substrates using gold catalysts with three varying geometrical characteristics: isolated nanoparticles, metal meshes with small hole spacings, and metal meshes with large hole spacings is carried out. It is shown that for both isolated metal catalyst nanoparticles and meshes with small hole spacings, etching proceeds in the crystallographically preferred <100> direction. However, the etching is confined to the single direction normal to the substrate surface when a catalyst meshes with large hole spacings is used. We have also demonstrated that the metal catalyzed etching method when used with metal mesh with large hole spacings can be extended to create arrays of polycrystalline and amorphous vertically aligned silicon nanowire by confining the etching to proceed in the normal direction to the substrate surface. The ability to pattern wires from polycrystalline and amorphous silicon thin films opens the possibility of making silicon nanowire array‐based devices on a much wider range of substrates.     

单晶硅各向异性湿法刻蚀的研究进展

单晶硅各向异性湿法刻蚀是制作硅基微电子机械系统(MEMS)器件的重要步骤之一,由于具有刻蚀均匀性好、批量大、成本低的优点而深受关注。首先回顾了单晶硅各向异性湿法刻蚀的刻蚀机理,比较了三种常用各向异性刻蚀液的刻蚀性质,讨论了刻蚀形状的控制技术。然后着重介绍了表面活性剂修饰的单晶硅各向异性湿法刻蚀速率和刻蚀表面光滑度等特性,以及面向MEMS应用的基于该刻蚀技术的各种微纳新结构;分析了表面活性剂分子在刻蚀过程中的作用,强调了表面活性剂分子在单晶硅表面的吸附性对改变刻蚀表面的物理性质的重要性。最后在此基础上,归纳了单晶硅各向异性湿法刻蚀的发展情况,探讨了其未来的发展方向。