CN101824653B

CN101824653B - 采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法

Info

Publication number: CN101824653B
Application number: CN2009100788644A
Authority: CN
Inventors: 梁松; 朱洪亮; 林学春; 韩培德; 王宝华
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2029-03-04
Also published as: CN101824653A

Abstract

本发明公开了一种采用宽脉冲激光器光源扫描辐照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激光扫描辐照硅片表面，形成具有硅微锥、硅微粒和硅微洞的黑硅材料。利用本发明，所使用的激光脉冲宽度为纳秒或微秒或毫秒甚至连续直流模式，波长为1064nm。用这类宽脉冲激光器光源扫描置于硫系物质环境下的硅晶片，可以制作出对全太阳光谱有强吸收作用的硅微锥、微粒和微孔的黑硅微结构材料。

Description

采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法

技术领域

本发明涉及半导体光电子材料技术领域，特别涉及一种采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法。

背景技术

近年来，基于高强度激光扫描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都超过90％(Appl.Phys.Lett.，84(2004)1850)。

将该黑硅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，所使用的激光器光源都为波长≤800nm的窄脉冲飞秒激光器光源，光源波长远小于硅材料的带隙波长，使得光对硅的作用仅限于硅表面数微米的厚度范围内。

另外，所用的高功率窄脉冲飞秒激光器光源结构复杂，价格高昂，不利于工业化制作黑硅材料。

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采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，以制作出对全太阳光谱有强吸收作用的硅微锥、微粒和微孔的黑硅微结构材料。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种采用宽脉冲激光器光源扫描辐照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；所述硫系物质环境为气态环境、粉末态环境或者液态环境；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；

步骤2：利用经过透镜聚焦的激光扫描辐照硅片表面，形成具有硅微锥、硅微粒和硅微洞的黑硅材料；所述经过透镜聚焦的激光，其波长为1064nm，脉冲宽度为纳秒或微秒或毫秒直至连续直流模式，脉冲频率为1～10KHz；所述经过透镜聚焦的激光，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，步骤1中所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅片。

上述方案中，步骤2中所述在硅片表面层制作出的硅微锥、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，步骤2中所述黑硅材料，其表面具有10²⁰cm^-3的硫系原子掺杂浓度层。

上述方案中，步骤2中所述黑硅材料对波长在0.2～2.5μm范围内的光具有大于85％的吸收率。

上述方案中，步骤2中所述所述激光经过透镜聚焦后照射在硅表面，硅表面处在焦点处或者处在欠焦或过焦位置。

(三)有益效果

1、本发明提供的这种采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，所使用的激光脉冲宽度为纳秒或微秒或毫秒甚至连续直流模式，波长为1064nm。用这类宽脉冲激光器光源扫描置于硫系物质环境下的硅晶片，可以制作出对全太阳光谱有强吸收作用的硅微锥、微粒和微孔的黑硅微结构材料。

2、相对于飞秒激光器，市售宽脉冲激光器光源价格便宜，具有各种光功率规格，制作黑硅的成本大大降低，利于黑硅材料的制作和普及应用；

3、1064nm波长与硅的带隙波长接近，能增加激光与硅的作用深度，便于制作新型硅微锥、微粒和微孔黑硅材料；

4、与窄脉冲飞秒激光器光源相比，本发明所使用的激光器光源工作脉冲宽度宽，激光功率密度很容易达到硅的熔化阈值，因此硅片可以放置在激光器的欠焦或过焦位置，激光光斑辐照的面积增大，使得扫描同样面积的时间大大缩短。

附图说明

图1是本发明提供的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的这种采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，脉冲宽度为纳秒或微秒或毫秒直至连续直流模式，波长为1064nm。用这类宽脉冲1064nm激光器光源扫描置于硫系物质环境下的硅晶片，可以在晶片表面制作出硅微锥、微粒和微洞类微结构，形成所谓的黑硅材料，这种材料对太阳光谱具有很强的吸收系数，并且不受硅低能吸收带的限制，即使在太阳光谱的近红外波段仍然具有大于85％的光吸收系数。

如图1所示，图1是本发明提供的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法流程图，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激光扫描辐照硅片表面，形成具有硅微锥、硅微粒和硅微洞的黑硅材料；

步骤1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。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。所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅片。

步骤2中所述经过透镜聚焦的激光，其波长为1064nm，脉冲宽度为纳秒或微秒或毫秒直至连续直流模式，脉冲频率为1～10KHz。所述在硅片表面层制作出的硅微锥、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。所述经过透镜聚焦的激光，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。所述黑硅材料，其表面具有10²⁰cm^-3的硫系原子掺杂浓度层。所述黑硅材料对波长在0.2～2.5μm范围内的光具有大于85％的吸收率。所述所述激光经过透镜聚焦后照射在硅表面，硅表面处在焦点处或者处在欠焦或过焦位置。

本发明采用的1064nm波长与硅的带隙波长接近，与波长≤800nm的激光器光源相比，能够增加激光与硅的作用深度，便于制作新型硅微锥、微粒和微孔结构。

市售宽脉冲激光器光源价格远比窄脉冲激光器光源便宜，这使得利用宽脉冲激光器光源制作黑硅的成本大大降低，利于黑硅材料的大面积制作和普及应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，其特征在于，步骤1中所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅片。

3.根据权利要求1所述的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，其特征在于，步骤2中所述在硅片表面层制作出的硅微锥、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。

4.根据权利要求1所述的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，其特征在于，步骤2中所述黑硅材料，其表面具有10²⁰cm^-3的硫系原子掺杂浓度层。

5.根据权利要求1所述的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，其特征在于，步骤2中所述黑硅材料对波长在0.2～2.5μm范围内的光具有大于85％的吸收率。

6.根据权利要求1所述的采用宽脉冲激光器光源扫描辐照制作黑硅材料的方法，其特征在于，步骤2中所述激光经过透镜聚焦后照射在硅表面，硅表面处在焦点处或者处在欠焦或过焦位置。