[发明专利]一种制作黑硅材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料技术领域，特别涉及一种利用波长为 1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法。

背景技术

近年来，基于高强度激光辐照的材料表面加工技术受到了广泛的关 注。美国哈佛大学的研究者用高强度飞秒激光器光源扫描硅表面，得到了 尺寸精细的金字塔锥形微结构新材料，即所谓的黑硅材料。

黑硅材料的光吸收效率显著提高(MRS Belletin，31(2006)594)。 尤其当将硅片置于硫系气体如SF₆，H₂S等环境下时，激光器光源扫描后 得到的黑硅材料，在250～2500nm的光谱范围内对光的吸收效率达到近 90％(Appl.Phys.Lett.，13(2001)1850)。将该种材料应用于器件制作可以大 幅度提高相关硅基光电器件的性能。例如，利用该种材料制作的硅基光电 二极管，器件1000nm波长上的响应度达到120A/W，比普通商用硅基光 电二极管高两个数量级，在1330nm和1550nm波长上的响应度分别为 50mA/W和35mA/W，比普通商用硅基光电二极管高五个数量级(Optics  Letters，30(2005)1773)。

目前，在已经公开的黑硅材料制作技术中，使用的都是单一短波长激 光器光源，如美国专利US7,442,629公开的400～800nm的飞秒激光器光 源。用这种短波长激光器光源辐照硅片，作用深度浅，而使用长波长激光 器光源，尤其是使用接近硅吸收限处的波长为1064nm的激光器光源，作 用长度深。

长、短波长激光器光源与硅材料的这种不同作用深度，是使用单一短 波长激光器光源或使用单一长波长激光器光源所无法兼顾的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用波长为1064nm和 532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，以制作出黑硅材料，并 提高黑硅材料对光的吸收效率。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用波长为1064nm和532nm两 种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，该方法包括：

步骤1：将硅片置于硫系物质环境中；

步骤2：利用经过透镜聚焦的波长为1064nm和532nm的两种激光器 光源，先后扫描辐照硅片表面，形成包含硅微锥、硅微粒和硅微洞的微结 构黑硅材料；

其中，所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅片；所述1064nm 和532nm两种激光器光源的脉冲宽度为飞秒至纳秒，脉冲频率为1～ 10KHz；所述在激光器光源扫描辐照硅片表面时，激光在硅表面单位面积 上的照射能量密度大于硅的熔化阈值1.5KJ/m²。

上述方案中，所述硫系物质环境为气态环境、粉末态环境或者液态环 境。

上述方案中，所述气态环境为H₂S或SF₆气态环境，粉末态环境为S 粉末、Se粉末或Te粉末粉末态环境，液态环境为H₂SO₄或(NH₄)₂SO₄液态 环境。

上述方案中，在硅片表面形成的硅微锥、硅微粒和硅微洞的长度为 0.1～50μm，宽度为0.1～50μm，高度为0.1～50μm。

上述方案中，所述形成的包含硅微锥、硅微粒和硅微洞的微结构黑硅 材料，其表面具有10²⁰cm^-3的硫系原子浓度层。

上述方案中，所述形成的包含硅微锥、硅微粒和硅微洞的微结构黑硅 材料，对波长在0.25～2.5μm范围内的光具有大于90％的吸收率。

(三)有益效果

长波1064nm的激光器光源，其波长与硅的带隙波长接近，辐照硅片 表面时作用深度较深(达几十微米深)，而短波532nm的激光器光源，其 波长远小于硅的带隙波长，与硅的作用深度浅(纳米至微米)。本发明将 长波光源作用深度深、短波光源作用深度浅的特点同时融入黑硅材料的制 作中，拓展了硫系掺杂物和硅微锥、微粒和微洞在表面层的范围，所以能 够更充分地吸收入射光，将全太阳光谱的吸收系数提高到90％以上。

附图说明