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黑硅材料的制备及特性研究

作　者: 郭正宇
导　师: 蒋亚东
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 黑硅湿法刻蚀金催化光学吸收
分类号: TN304.12
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

硅是世界上储量最丰富的元素之一,广泛的应用于光电探测、光通信、微电子设备等重要领域。但是由于晶体硅的本身的性质,使得晶体硅表面对可见-红外光的反射很高,极大的限制了硅基光电器件的灵敏度、可用波段范围以及转换效率等关键技术指标。近年来,一种叫黑硅的微结构硅引起了人们极大的关注,黑硅由于对可见-红外光波段的光有着其极高的吸收,可以广泛应用于生物,红外探测,太阳能电池,药学,微电子,农业和安全检测等方面。目前制备黑硅的方法多种多样,但都有一定的局限和不足。本文提供了一种新型制备黑硅的方法,利用传统的湿法腐蚀技术,通过表面图形化,得到可见-近红外吸收在90%以上的黑硅材料,找到了一种工艺过程简单,可行和经济的制备黑硅的方法。本文的主要工作内容如下:1、设计了直径2μm、间隔2μm和直径1μm、间隔4μm两种尺寸的掩模版,使用光刻技术进行图形转移,用反应离子刻蚀技术刻蚀Si3N4薄膜,制备了湿法刻蚀的掩模层。2、使用KOH腐蚀系统制备了规则排列的微阵列结构,并用SEM进行表征。研究了KOH浓度、反应温度、腐蚀时间等因素对样品微观形貌的影响,获得了控制表面形貌的基本实验参数及规律。3、进一步使用HF腐蚀系统,利用金颗粒催化原理,对微结构表面进行改性。4、利用积分球测试系统,研究了KOH腐蚀系统制备的黑硅样品和进一步用HF腐蚀系统对样品微结构表面改性后的可见-近红外的光学吸收特性:KOH腐蚀系统制备的黑硅样品在可见-近红外波段吸收率为80%以上,进一步用HF腐蚀系统对样品微结构表面改性后在可见光波段光吸收率在95%以上,在近红外波段光吸收率也在90%以上。5、分析得出了黑硅样品微观形貌增加光吸收的原因和机理。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-23
  1.1 黑硅的发现  11-12
  1.2 黑硅的各种优异性能  12-14
    1.2.1 宽光谱的高吸收率  12-13
    1.2.2 具有良好的场致发射特性  13-14
    1.2.3 发光特性  14
    1.2.4 辐射太赫兹特性  14
  1.3 黑硅发展前景  14-15
  1.4 国内外研究黑硅的进展和现状  15
  1.5 目前制备黑硅的几种方法的优劣势比较  15-22
    1.5.1 反应离子刻蚀  16-18
    1.5.2 水热腐蚀法  18-19
    1.5.3 飞秒激光照射法  19-20
    1.5.4 湿法腐蚀  20-22
  1.6 本文研究的内容及意义  22-23
第二章湿法刻蚀工艺原理介绍  23-33
  2.1 硅材料的性能介绍  23
  2.2 硅的湿法腐蚀原理  23-33
    2.2.1 湿法腐蚀技术介绍  23-26
      2.2.1.1 各向同性腐蚀  24-25
      2.2.1.2 各向异性腐蚀  25-26
    2.2.2 腐蚀机理模型  26-30
    2.2.3 硅腐蚀中主要晶面的原子分布  30-33
第三章黑硅材料的制备  33-44
  3.1 Si_3N_4 掩模层的制备  33-41
    3.1.1 实验设备及材料  33-34
    3.1.2 光刻流程  34-36
      3.1.2.1 基体材料的选择  35
      3.1.2.2 掩模版图形设计  35
      3.1.2.3 硅基片的清洗处理  35-36
    3.1.3 Si_3N_4 掩模层的制备工艺  36-41
      3.1.3.1 Si_3N_4 的性能概述  36
      3.1.3.2 PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）简介  36-38
      3.1.3.3 PECVD 方法沉淀Si_3N_4 的原理  38-39
      3.1.3.4 Si 晶片的光刻工艺  39
      3.1.3.5 Si 晶片的光刻步骤  39-41
  3.2 硅尖锥阵列的湿法刻蚀  41-43
    3.2.1 实验仪器及药品  41-42
    3.2.2 实验样品准备  42
    3.2.3 硅基片的碱刻蚀  42-43
    3.2.4 硅基片的酸刻蚀  43
  3.3 本章小结  43-44
第四章黑硅表面形貌、光学性能表征及分析  44-63
  4.1 黑硅的宏观形貌  44
  4.2 碱腐蚀过程中不同因素对形貌的影响  44-50
    4.2.1 不同掩模尺寸的影响  44-46
    4.2.2 KOH 溶液浓度的影响  46-47
    4.2.3 温度的影响  47-48
    4.2.4 时间对形貌的影响  48-50
  4.3 KOH 腐蚀后的黑硅样品的光吸收特性  50-54
    4.3.1 单晶硅样品的光吸收特性  51-52
    4.3.2 KOH 腐蚀后的黑硅样品的光吸收率  52-54
  4.4 酸腐蚀金催化机理  54
  4.5 酸腐蚀制备的黑硅样品的微观形貌  54-57
  4.6 酸腐蚀制备的黑硅样品的表面成分分析  57-58
  4.7 酸腐蚀制备的黑硅样品的光吸收特性  58-60
  4.8 黑硅样品高吸收性能原因分析  60-62
  4.9 本章小结  62-63
第五章工作总结  63-64
第六章下一步工作展望  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-69
在攻读硕士期间取得的研究成果  69-70

黑硅材料的制备及特性研究

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