專(zhuān)利名稱(chēng)：采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用寬脈沖 激光器光源掃 描輻照制作黑硅材料的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，基于高強(qiáng)度激光掃描輻照的材料表面加工技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。美國(guó) 哈佛大學(xué)的研究者用高強(qiáng)度飛秒激光器光源掃描硅表面，得到了尺寸精細(xì)的金字塔錐形微 結(jié)構(gòu)新材料，即所謂的黑硅材料。黑硅材料的光吸收效率顯著提高(MRS Belletin，31(2006)594)。尤其當(dāng)將硅片 置于硫系氣體如SF6,H2S等環(huán)境下時(shí)，激光器光源掃描后得到的黑硅材料，在250 2500nm 的光譜范圍內(nèi)對(duì)光的吸收效率都超過(guò)90% (App 1. Phys. Lett. ,84(2004) 1850)。將該黑硅材料應(yīng)用于器件制作可以大幅度提高相關(guān)硅基光電器件的性能。例如， 利用該種材料制作的硅基光電二極管，器件IOOOnm波長(zhǎng)上的響應(yīng)度達(dá)到120A/W，比普通商 用硅基光電二極管高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在1330nm和1550nm波長(zhǎng)上的響應(yīng)度分別為50mA/W和 35mA/W，比普通商用硅基光電二極管高五個(gè)數(shù)量級(jí)(Optics Letters，30 (2005) 1773)。目前，在已經(jīng)公開(kāi)的黑硅材料制作技術(shù)中，所使用的激光器光源都為波長(zhǎng)< SOOnm 的窄脈沖飛秒激光器光源，光源波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于硅材料的帶隙波長(zhǎng)，使得光對(duì)硅的作用僅限于 硅表面數(shù)微米的厚度范圍內(nèi)。另外，所用的高功率窄脈沖飛秒激光器光源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高昂，不利于工業(yè)化制 作黑硅材料。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作 黑硅材料的方法，以制作出對(duì)全太陽(yáng)光譜有強(qiáng)吸收作用的硅微錐、微粒和微孔的黑硅微結(jié) 構(gòu)材料。( 二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材 料的方法，該方法包括步驟1 將硅片置于硫系物質(zhì)環(huán)境中；步驟2 利用經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光掃描輻照硅片表面，形成具有硅微錐、硅微粒和 硅微洞的黑硅材料。上述方案中，所述硫系物質(zhì)環(huán)境為氣態(tài)環(huán)境、粉末態(tài)環(huán)境或者液態(tài)環(huán)境。上述方案中，所述氣態(tài)環(huán)境為H2S或SF6氣態(tài)環(huán)境，粉末態(tài)環(huán)境為S粉末、Se粉末 或Te粉末粉末態(tài)環(huán)境，液態(tài)環(huán)境為H2SO4或(NH4)2SO4液態(tài)環(huán)境。上述方案中，步驟1中所述硅片為(100)或(111)晶向的η型或ρ型硅片。
上述方案中，步驟2中所述經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光，其波長(zhǎng)為1064nm，脈沖寬度為納秒或微秒或毫秒直至連續(xù)直流模式，脈沖頻率為1 ΙΟΚΗζ。上述方案中，步驟2中所述在硅片表面層制作出的硅微錐、硅微粒和硅微洞的長(zhǎng) 度為0. 1 50 μ m，寬度為0. 1 50 μ m，高度為0. 1 50 μ m。上述方案中，步驟2中所述經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光，在硅表面單位面積上的照射能 量密度大于硅的熔化閾值1. 5KJ/m2。上述方案中，步驟2中所述黑硅材料，其表面具有102°cnT3的硫系原子摻雜濃度層。上述方案中，步驟2中所述黑硅材料對(duì)波長(zhǎng)在0. 2 2. 5 μ m范圍內(nèi)的光具有大于 85%的吸收率。上述方案中，步驟2中所述所述激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后照射在硅表面，硅表面處在 焦點(diǎn)處或者處在欠焦或過(guò)焦位置。(三)有益效果1、本發(fā)明提供的這種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，所使 用的激光脈沖寬度為納秒或微秒或毫秒甚至連續(xù)直流模式，波長(zhǎng)為1064nm。用這類(lèi)寬脈沖 激光器光源掃描置于硫系物質(zhì)環(huán)境下的硅晶片，可以制作出對(duì)全太陽(yáng)光譜有強(qiáng)吸收作用的 硅微錐、微粒和微孔的黑硅微結(jié)構(gòu)材料。2、相對(duì)于飛秒激光器，市售寬脈沖激光器光源價(jià)格便宜，具有各種光功率規(guī)格，制 作黑硅的成本大大降低，利于黑硅材料的制作和普及應(yīng)用；3、1064nm波長(zhǎng)與硅的帶隙波長(zhǎng)接近，能增加激光與硅的作用深度，便于制作新型 硅微錐、微粒和微孔黑硅材料；4、與窄脈沖飛秒激光器光源相比，本發(fā)明所使用的激光器光源工作脈沖寬度寬， 激光功率密度很容易達(dá)到硅的熔化閾值，因此硅片可以放置在激光器的欠焦或過(guò)焦位置， 激光光斑輻照的面積增大，使得掃描同樣面積的時(shí)間大大縮短。


圖1是本發(fā)明提供的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法流程 圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供的這種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，脈沖寬 度為納秒或微秒或毫秒直至連續(xù)直流模式，波長(zhǎng)為1064nm。用這類(lèi)寬脈沖1064nm激光器光 源掃描置于硫系物質(zhì)環(huán)境下的硅晶片，可以在晶片表面制作出硅微錐、微粒和微洞類(lèi)微結(jié) 構(gòu)，形成所謂的黑硅材料，這種材料對(duì)太陽(yáng)光譜具有很強(qiáng)的吸收系數(shù)，并且不受硅低能吸收 帶的限制，即使在太陽(yáng)光譜的近紅外波段仍然具有大于85%的光吸收系數(shù)。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料 的方法流程圖，該方法包括步驟1 將硅片置于硫系物質(zhì)環(huán)境中；
步驟2 利用經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光掃描輻照硅片表面，形成具有硅微錐、硅微粒和硅微洞的黑硅材料；步驟1中所述硫系物質(zhì)環(huán)境為氣態(tài)環(huán)境、粉末態(tài)環(huán)境或者液態(tài)環(huán)境。所述氣態(tài)環(huán) 境為H2S或SF6氣態(tài)環(huán)境，粉末態(tài)環(huán)境為S粉末、Se粉末或Te粉末粉末態(tài)環(huán)境，液態(tài)環(huán)境為 H2SO4或(NH4)2SO4液態(tài)環(huán)境。所述硅片為(100)或(111)晶向的η型或ρ型硅片。步驟2中所述經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光，其波長(zhǎng)為1064nm，脈沖寬度為納秒或微秒或 毫秒直至連續(xù)直流模式，脈沖頻率為1 ΙΟΚΗζ。所述在硅片表面層制作出的硅微錐、硅微 粒和硅微洞的長(zhǎng)度為0. 1 50 μ m，寬度為0. 1 50 μ m，高度為0. 1 50 μ m。所述經(jīng)過(guò)透 鏡聚焦的激光，在硅表面單位面積上的照射能量密度大于硅的熔化閾值1. 5KJ/m2。所述黑 硅材料，其表面具有102°cm_3的硫系原子摻雜濃度層。所述黑硅材料對(duì)波長(zhǎng)在0. 2 2. 5 μ m 范圍內(nèi)的光具有大于85%的吸收率。所述所述激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后照射在硅表面，硅表面 處在焦點(diǎn)處或者處在欠焦或過(guò)焦位置。本發(fā)明采用的1064nm波長(zhǎng)與硅的帶隙波長(zhǎng)接近，與波長(zhǎng)彡SOOnm的激光器光源相 比，能夠增加激光與硅的作用深度，便于制作新型硅微錐、微粒和微孔結(jié)構(gòu)。市售寬脈沖激光器光源價(jià)格遠(yuǎn)比窄脈沖激光器光源便宜，這使得利用寬脈沖激光 器光源制作黑硅的成本大大降低，利于黑硅材料的大面積制作和普及應(yīng)用。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特征在于，該方法包括步驟1將硅片置于硫系物質(zhì)環(huán)境中；步驟2利用經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光掃描輻照硅片表面，形成具有硅微錐、硅微粒和硅微洞的黑硅材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，所述硫系物質(zhì)環(huán)境為氣態(tài)環(huán)境、粉末態(tài)環(huán)境或者液態(tài)環(huán)境。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，所述氣態(tài)環(huán)境為H2S或SF6氣態(tài)環(huán)境，粉末態(tài)環(huán)境為S粉末、Se粉末或Te粉末粉末 態(tài)環(huán)境，液態(tài)環(huán)境為H2SO4或(NH4)2SO4液態(tài)環(huán)境。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，步驟1中所述硅片為(100)或(111)晶向的η型或ρ型硅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，步驟2中所述經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光，其波長(zhǎng)為1064nm，脈沖寬度為納秒或微秒或毫 秒直至連續(xù)直流模式，脈沖頻率為1 IOKHz。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其 特征在于，步驟2中所述在硅片表面層制作出的硅微錐、硅微粒和硅微洞的長(zhǎng)度為0. 1 50 μ m,寬貞為 0. 1 ~ 50ym,冑貞為 0. 1 50 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，步驟2中所述經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光，在硅表面單位面積上的照射能量密度大于硅 的熔化閾值1. 5KJ/m2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，步驟2中所述黑硅材料，其表面具有102°cm_3的硫系原子摻雜濃度層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其特 征在于，步驟2中所述黑硅材料對(duì)波長(zhǎng)在0. 2 2. 5 μ m范圍內(nèi)的光具有大于85 %的吸收 率。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，其 特征在于，步驟2中所述所述激光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦后照射在硅表面，硅表面處在焦點(diǎn)處或者 處在欠焦或過(guò)焦位置。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種采用寬脈沖激光器光源掃描輻照制作黑硅材料的方法，該方法包括步驟1將硅片置于硫系物質(zhì)環(huán)境中；步驟2利用經(jīng)過(guò)透鏡聚焦的激光掃描輻照硅片表面，形成具有硅微錐、硅微粒和硅微洞的黑硅材料。利用本發(fā)明，所使用的激光脈沖寬度為納秒或微秒或毫秒甚至連續(xù)直流模式，波長(zhǎng)為1064nm。用這類(lèi)寬脈沖激光器光源掃描置于硫系物質(zhì)環(huán)境下的硅晶片，可以制作出對(duì)全太陽(yáng)光譜有強(qiáng)吸收作用的硅微錐、微粒和微孔的黑硅微結(jié)構(gòu)材料。
文檔編號(hào)C30B33/00GK101824653SQ20091007886
公開(kāi)日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2009年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月4日
發(fā)明者朱洪亮, 林學(xué)春, 梁松, 王寶華, 韓培德 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所