采用湿蚀刻技术制备黑硅

本文介绍了我们华林科纳采用氮化硅膜作为掩膜，采用湿蚀刻技术制备黑硅，样品在250~1000nm波长下的吸收率接近90%。实验结果表明，氮化硅膜作为掩模湿蚀刻技术制备黑硅是可行的，比飞秒激光、RIE和水热蚀刻制备黑硅具有更大的优势。它为制备黑硅可见光和近红外光电子器件提供了一种合适而经济的方法。本文采用湿式蚀刻法制备了微结构硅，并对其微观结构进行了表征，并对其光学性能进行了测试。

湿式蚀刻的基本步骤是：首先通过沉积或生长等方法在衬底上制备一层掩模层，然后通过从掩模层上的图形中蚀刻等方法，在从掩模层上的图形中蚀刻后，然后使用蚀刻溶液来湿蚀刻掩模层和基底，最后去除掩模层，可以要求基底上的图形和结构。目前硅湿蚀刻中相对常见的掩模材料为二氧化硅和氮化硅，一般采用浓缩碱作为蚀刻溶液，二氧化硅薄膜掩模对氢氧化钾溶液没有很好的蚀刻选择性，通常使用HF（氢氟酸），对二氧化硅蚀刻毒性大，对环境和人体有一定程度的风险。氮化硅薄膜掩模对氢氧化钾溶液具有很好的蚀刻选择性，因此我们使用氮化硅作为掩模材料。在我们的实验中，一个p掺杂硅基片被切割到2厘米的大小，使用浓缩的氢氧化钾溶液(KOH：H2O=50g：100ml)作为蚀刻剂，湿蚀刻在水中以50℃恒温加热，温度精度为±1℃。

图5是周期柱状粒子阵列的吸收光谱。该样品在250纳米至1000纳米的波长下具有近90%的吸收率。由于硅的性质，普通硅的光学吸收受到两个因素的限制：(a)硅的介电常数决定了它是一种高抗材料。(b)硅的带隙为1.07eV，使未经修饰的硅对波长超过1.1µm基本透明，能级限制了硅的红外吸收特性，光子只有在光子的能量大于带隙时才能被硅吸收。这两个因素都限制了硅基光电器件的有用波长范围、灵敏度和效率。由于硅的技术重要性，克服这些限制将为应用开辟新的可能性。黑硅的吸收率很高，造成这一现象有一个非常重要的原因：降低反射率增加了可见波长的吸收率，在带隙以下降低了吸收率，而不同时引入吸收态，主要导致透射率的增加，原因是黑色硅具有与森林一样的周期性锥形微观结构。

硅中的元素浓度较高，约0.1%，F元素的浓度小于S元素，约0.001%，S元素和F元素集中在硅表面附近；当值越深时，浓度会逐渐降低。此外，电子后向散射和离子隧道分析表明，辐射后存在硅的晶体结构，但晶体硅中存在大量的晶格缺陷。以上分析表明，在辐射处理中，硅晶格中引入了大量的杂质和结构缺陷，在材料的带隙中可引入杂质水平，使材料能够吸收波长大于1100nm的光。

最后通过采用湿蚀法得到了微结构硅，其结构具有周期柱状阵列，测试其光学吸收特性，样品在波长为250nm~1000nm处的吸收率接近90%，分析了湿式蚀刻法与其他三种方法制备微结构硅的优点，结果表明，用湿蚀刻法制备黑硅是一种可行的方法。

审核编辑：汤梓红