CN101824654A - 一种制作黑硅材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用波长为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。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。

Description

一种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(OpticsLetters，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。
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，所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅片。
上述方案中，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。
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
图1是本发明提供的利用波长为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，所使用的激光脉冲宽度为几百飞秒至几百纳秒。将硅晶片置于硫系物质环境下，分别用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描辐照硅表面，将长波光源作用长度深、短波光源作用深度浅的特点同时融入黑硅材料的制作中，形成硅微锥，硅微粒和硅微洞的微结构，提高了黑硅材料对光的吸收效率。
如图1所示，图1是本发明提供的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法流程图，该方法包括以下步骤：
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。
上述步骤1中所述硫系物质环境为气态如H2S，SF6等或者粉末态如S、Se、Te粉末等或者液态如H2SO4、(NH4)2SO4等；所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅；
上述步骤2中所述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。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。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。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。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。
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 (9)

1.一种利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，所述硫系物质环境为气态环境、粉末态环境或者液态环境。
3.根据权利要求2所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，所述硅片为(100)或(111)晶向的n型或p型硅片。
5.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
8.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
9.根据权利要求1所述的利用波长为1064nm和532nm两种激光器光源扫描制作黑硅材料的方法，其特征在于，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。
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