[发明专利]一种微纳多孔硅材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电子材料与器件技术领域，特别涉及一种具有微纳米结构的多孔硅材料的制备方法。

背景技术

自从1990 年Canham首次报道多孔硅在室温下可以发出高效率的可见光以来，人们对其进行了大量研究，发现了其特有的光学、电学、热性能和机械性能等特性。随着微电子机械系统（MEMS）的发展，发现多孔硅可作为MEMS器件功能结构层和牺牲层材料，因此成为半导体领域热门的研究课题之一。电化学腐蚀方法可用于制备多孔硅材料，该方法工艺成熟，人们对温度、腐蚀液成分、掺杂、电流密度等制备工艺条件对多孔硅表面形貌、光致发光等特性的影响，已有较多的认识。但在硅材料的电化学腐蚀过程中会产生氢气，由于表面张力作用氢气气泡会吸附在硅柱表面，而反应过程产生的硅氟化合物会沉积在硅孔底部，不利于电解液浸入已生成的硅孔中，因而随着反应的进行，硅孔中的酸浓度会很快下降，阻止反应进一步进行，从而导致所得材料具有硅孔分布不均匀、界面不平整、腐蚀效率低等特点。电化学方法制备的多孔硅材料具有以下特点：1）制备工艺相对稳定，设备及实验条件要求相对简单；2）多孔面在比较大的面积范围内具有均匀性；3）制备出的多孔硅材料具有微米尺度孔径，具有相对稳定的深宽比；4）化学刻蚀得到的多孔硅比平坦单晶硅表面的光吸收率明显提高，反射率降低，光谱吸收范围有所拓宽。

1997年首次发现，铝薄膜覆盖的硅衬底经过HF、HNO₃、H₂O的溶液腐蚀可制备硅的多孔结构。进一步的研究发现，可在单晶硅表面先溅射一层薄的贵金属层，利用热或应力的作用使薄层发生“自组装”而形成均匀分布的微纳米颗粒阵列，然后用HF、H₂O₂、NaOH 溶液进行刻蚀，可在硅衬底表面生成直的小孔或者圆柱型纳米微结构。此后，利用这种金属催化化学刻蚀原理来制备硅基纳米结构的各种新工艺得到重视。其工作原理是，硅衬底表面覆盖的贵金属颗粒层置于包含HF和某种氧化剂的刻蚀液中；被贵金属粒子覆盖的硅材料由于金属催化作用被刻蚀的速度更快，因而此处贵金属粒子不断向硅材料内部诱导腐蚀，从而可在硅材料衬底上产生微纳米孔洞或者形成纳米线阵列。采用这种方法，可在单晶硅上制备出具有微纳米尺度的表面微结构硅材料。金属催化化学刻蚀所制备的微纳米硅材料，具有以下基本特点：1）采用湿法化学腐蚀原理实现材料制备，工艺简单；2）制备的微结构硅材料，是由具有微纳米尺度的细线、细柱和微孔等构成；3）孔径或线、柱结构的均匀度、形态等受工艺影响较大，工艺可重复性较差；4）具有微纳米结构的硅材料，其吸光率等性能较单晶硅材料有明显提高。

微结构硅材料是指在单晶硅衬底表面引入黑硅、多孔硅以及微纳米硅结构的硅材料。由于表面具有这些微纳米尺度的微结构，在硅材料表面引入了缺陷态、掺杂等，使得硅材料的某些半导体物理性能诸如能带结构、光吸收率、霍尔效应、温度电阻变化系数等发生改变，而这种改变可使得硅半导体材料具有更大的应用价值，可用于新型光电探测器、太阳能光伏器件等。

名称为“一种多孔硅模板的制备方法”（申请号为201410011017.7）的专利公开了一种多孔硅模版的制备方法，采用的是金属催化刻蚀（MCE）的方法，制备倒金字塔形或圆形开口的多孔硅模板，此多孔硅模版具有良好的减反射效果。但是此多孔硅模版的表面形貌比较单一，在吸光、提高光电流增益、延伸光谱响应等特性上有待提高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种微纳多孔硅材料的制备方法，制备的多孔硅具与传统多孔硅不同的结构，不仅具有微米尺度的微孔结构，还在微米孔洞表面具有纳米尺度的细微结构。

本发明的技术方案为：

一种微纳多孔硅材料的制备方法，包括以下步骤：

a：背电极及背电极封装：利用真空镀膜机，在清洗好的硅基材料的非抛光面上镀铝膜，用抗酸碱腐蚀胶带对背电极进行密封保护；

b：电化学腐蚀制备多孔硅：将步骤a得到的铝背电极单晶硅片进行电化学腐蚀，得到微米尺度的多孔硅材料；

c：金属催化化学刻蚀前处理：去除多孔硅表面氧化层和背电极铝，然后用去离子水进行清洗，并在氮气气氛中吹干；

d：金属催化化学刻蚀：采用银作为催化剂，对步骤c得到的吹干的多孔硅进行化学刻蚀，去除残留在多孔硅微结构中的金属粒子，即得所述的微纳多孔硅材料。

    优选地，步骤a中所述的铝膜厚度为0.1~0.3mm。