飞秒激光连续照射制备具有准规则的黑硅材料

飞秒激光连续照射制备具有准规则的黑硅材料

1长波长硅材料的缺陷硅含大量硅和石英矿，在自然界中。如果说碳是组成生物界的主要元素,那么,硅就是构成地球上矿物界的主要元素。晶体硅由于易提纯,易掺杂,耐高温等优点,作为重要的半导体材料,除了用于熟知的二极管、三极管和集成电路以外,还在军事武器的制造、太阳能电池和光电探测器等领域中有广泛的应用。然而,传统硅晶体材料在可见光范围内反射率很高,它的禁带宽度是1.12eV,这使得硅材料对于波长超过1.1μm的光是透明的。这些因素都限制了硅基的光电探测器和太阳能电池的效率及灵敏度,因此,增加硅吸收光的效率一直是科技发展上的热点。如能克服这些缺点,硅材料将得到更多的应用。1997年,哈佛大学Mazur教授研究组在飞秒激光与物质相互作用研究的过程中,发现利用飞秒激光在一定气体环境下照射硅片可在硅表面激光辐照区产生微米量级的尖峰结构,原本是灰色有光泽的硅表面在刻蚀过的地方肉眼看去完全变成了黑色。利用扫描电子显微镜(SEM)观测发现黑硅表面呈准规则排列的微米量级的尖峰结构(图1)。大量的研究表明,这种表面微构造过的硅材料具有奇特的光电性质,对可见光和近红外线波长的光几乎全部吸收,吸收率的大小又和表面微构造的形状、高度和刻蚀时所选用的特定气体等因素有关。对于黑硅这种新材料为什么会对可见光和近红外线波长的光几乎全部吸收尚有诸多物理问题需要大量的研究工作来解决。黑硅的类锥状表面有微细的纳米颗粒,本文没有考虑其表面的微细纳米颗粒的影响,从平面几何光学角度分析其陷光特性。利用几何光学的光的传输理论,计算出目前较典型的黑硅类锥状结构的陷光效果,研究了黑硅表面凸起的形状和密度对光反射次数的影响。2黑硅表面线性类圆锥体的缺陷光特性分析显微镜下黑硅的微观表面是密麻的针状结构,与普通硅相比最大区别就在这些独特的结构,光射入这种针状森林结构里面要经过多次反射与折射,且这种类锥状表面有不规则微小纳米颗粒,在一定程度上都对它的陷光效果有影响。由于针状结构表面的复杂性,在此,我们利用线性类圆锥体(图2)形状来分析光线竖直照射到其表面后的线性反射情况,并在假设每次表面反射时均有一定比例的光能量被吸收的基础上,研究黑硅表面针状结构的形状和密度与反射次数的关系,然后再分析它的陷光特性。A:1)当α>30°时,n<3,不予考虑。2)α=30°时,n=3。3)α<30°时,B:1)18°<α<30°时,2)α=18°时,3)α<18°时,2)α=0°时,3)α<10°时,假定每次反射时普通硅表面对光能量的吸收效率为ρ,反射次数为n,一束光从进入黑硅表面经反射后总的光能量的吸收效率为An=An-1+(1-An-1)ρ。由此作出的理论上吸收率和反射次数的关系图如图4。由图我们可以看出,吸收率和反射次数有一定的递增关系,陷光效果又和反射次数有关。因此对于黑硅陷光特性的研究,对于分析黑硅对光能量的吸收效果有重要的意义。3黑硅表面光度的反射模型本论文只研究了黑硅的陷光特性,通过建立的理论模型,从平面几何光学角度分析了黑硅的陷光特性。然而实际黑硅类锥表面并非那么光滑,而是存在微细的纳米颗粒。因此理论反射次数和实际反射次数一定程度上存在误差,但总体上很好地反映了黑硅陷光特性的机制。我们可以得出h1越高、d越小和Φ越大(锥体母线与底面直径的夹角越大),它在类锥状体上的反射次数越多,也就是说它的陷光效果越好。这样我们的理论分析结果可以说明光在微构造硅表面的反射次数越多它的陷光效果就越好。陷光特性好,对光吸收具有重要价值,但黑硅的光吸收机理较为复杂,后续研究正在进行中。当光线竖直照射微构造黑硅片时,光子进入类锥状结构后,在类锥状结构里面反射,到达类锥状结构的底部,然后再反射,经过多次反射和吸收后,剩余的光能量反射出黑硅表面。它们的平抛图如图3。从图3我们可以看出,光线竖直打在锥状体上,光线在上面要经过几次反射,然后再出去,而在光滑硅表面只经过1次反射,根据以上模型我们做了以下理论推导与计算。由图3可知,h1,h2,α,β,d在微构造硅表面它们都是独立的变量,其它参量都可以由它们表示出来。我们设半顶角为α,底角为Φ,反射次数为n,顶部球状球心张角为β,顶部球体的半径r。对其顶端,经计算光线垂直入射可达到两次反射部位距顶端为,距顶部的距离小于此值属于单次反射,大于此值可归于以下探讨。经过推导得出,在光线没有射到底部d所在的区域上时,入射线和入射平面的夹角有如下关系:α,3α,5α.…,(2n-1)α;当射到底面时入射角和入射平面的夹角是2nα,然后呈2(n-1)α,…,5α,3α,α递减竖直射出,这都是在最理想的情况下才会发生的。对此我们从α=30°开始讨论反射次数和h1,α,d的关系(为讨论光线入射的平均情况,我们考虑一束光从类锥状体的半高度垂直入射):对时,n>10,我们在此不作考虑,由于当前实验条件的限制,底角能达到Φ=80°已经很难。从(1)～(10)式可知,两个锥状体之间保持高度h1不变时,减小间距d,减小半顶角α,反射次数n会增多。对于一定面积的黑硅片,针状锥的密度ρ和反射次数n成正比关系。当保持间距d不变时,则针状锥所占的总面积S不变,ρ、h1、α之间关系为s=ρπ(h1tanα)2。所以增加高度h1,减小半顶角α,针状锥的密度ρ随着增大,总的反射次数n随之增多。可见,一定面积黑硅表面光的反射次数与高度h1、半顶角α、间距d有密切的关系。因此间距不变的情况下,反射次数随着高度h1的增大而增大,随着半顶角α的减小而增大;高度h1和