[发明专利]可控尺寸及表面结构的纳米柱阵列制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体电子器件的制备工艺，特别是涉及一种半导体衬底的制备和优化工艺，应用于太阳电池制备技术领域。

背景技术

太阳能作为一种可永续利用的清洁能源，有着巨大的应用潜力。目前的光伏市场，仍以晶体硅制备的第一代太阳能电为主，然而受Shockley-Queisser效应限制的光电转换效率不高晶体硅理论上极限为33.7%。为了进一步发展光伏产业，必须要提高太阳能电池的光电转换效率和降低成本。在众多类型的纳米材料中，Si纳米柱阵列凭借其一维的柱形结构、独特的电学和光学性能在近年来得到了广泛的关注和深入的研究，特别是在太阳电池应用方面具有很大的潜在应用价值。

硅纳米柱/线凭借其一维的柱形结构、独特的电学和光学性能在近年来得到了广泛的关注和深入的研究，比如在太阳电池、场效应晶体管、生物传感器、发光材料等方面已经取得了一定成果，特别是在太阳电池应用方面具有很大的潜在应用价值。目前，对于高效单晶硅太阳电池而言，其表面反射率是影响电池光电转换效率的重要因素之一，而纳米柱/线阵列的织构化结构可以有效地降低太阳电池的表面反射率。

目前，制备硅纳米柱/线阵列可以采用的方法主要有两种：化学腐蚀和物理刻蚀。国内大多数的研究组是用化学腐蚀方法来制备硅纳米柱/线，化学腐蚀法虽然简单易操作，但其物理化学机理尚待进一步探索研究，且制备的硅纳米柱/线有着质量不高，表面缺陷较多，结构尺寸不易可控等缺点。相比，物理刻蚀法制备的纳米柱/线结构尺寸、表面形貌易控制，所用工艺也与传统的半导体技术相匹配。但是物理刻蚀的成本较高，得到的纳米柱/线高度有限而且刻蚀所用的等离子体轰击会造成衬底的晶格缺陷从而会影响纳米柱/线的电学性能。因此，如何实现纳米柱/线阵列的低成本可控制备以及改善其表面结构仍是目前纳米柱/线在太阳电池中应用中亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种可控尺寸及表面结构的纳米柱阵列制备方法，有效克服了电子束曝光高成本及批量加工方法的限制，能够在衬底上制备可控尺寸及可控表面结构硅纳米柱阵列，可以有效地降低太阳电池的表面反射率，提高太阳电池的光电转换效率。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种可控尺寸及表面结构的纳米柱阵列制备方法，包括以下步骤：

ⅰ.对纳米粒子溶液的SiO₂粒子进行表面改性，使其具有双亲性，然后采用Langmuir-Blodgett膜工艺，使具有双亲性的SiO₂粒子在衬底上沉积得到SiO₂单层膜；采用Langmuir-Blodgett膜工艺在衬底上沉积SiO₂粒子过程中，对于900nm级的SiO₂粒子，优选采用的表面压控制在10~14mN/m，而对于600nm级的SiO₂粒子，优选采用的表面压控制在2.5~4mN/m；衬底的材料优选采用硅、锗、Ⅲ-Ⅴ族半导体材料、有机半导体材料或半导体复合材料；

ⅱ. 采用各向同性的反应离子刻蚀工艺，对在所述步骤ⅰ中制备的衬底上的SiO₂单层膜进行刻蚀，调整SiO₂粒子的大小和粒子间隙，对SiO₂单层膜进行图案修饰，使SiO₂单层膜形成衬底的刻蚀掩模板；采用各向同性的反应离子刻蚀工艺刻蚀衬底上的SiO₂单层膜时，蚀刻气体优选采用CHF₃和O₂的混合气体，且刻蚀腔的气压为250mTorr，RF功率为100W；

ⅲ. 将在所述步骤ⅱ中制备的经过图案修饰的SiO₂单层膜作为刻蚀掩模板，采用各向异性的深度反应离子刻蚀工艺来蚀刻衬底，制备锯齿状表面的纳米柱阵列，此时SiO₂粒子留在纳米柱的顶部；采用各向异性的深度反应离子刻蚀工艺来蚀刻衬底时，蚀刻气体优选采用SF₆和O₂的混合气体，且钝化气体C₄F₈，刻蚀功率为2100W，钝化功率为2200W；