[发明专利]一种黑硅材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种黑硅材料及其制备方法，解决了现有的硒元素掺杂黑硅材料制备方法的不足，制备方法包括：获取清洁衬底；采用热蒸发法在衬底表面沉淀一层硒膜；在氟化氢气体氛围下，利用飞秒激光扫描烧蚀；除去材料表面氧化硅，得到黑硅材料。本发明在飞秒激光烧蚀衬底材料的过程中，引入了氟元素，借助氟元素与衬底硅材料产生的化学反应，制备得到的黑硅材料，表面具有微结构尖锥阵列，即“黑森林”结构，这种黑硅材料具有很强的陷光性，因此这样获得的黑硅材料的吸收波长得到扩展，对可见光和近红外波段吸收率可扩大到93％以上。

技术领域

本发明属于光电敏感材料技术领域，具体涉及一种黑硅材料及其制备方法。

背景技术

晶体硅材料由于其自身固有性质，如耐高温、性质稳定、易获取、易掺杂等优点，在光电探测、光伏电池、传感器等领域具有广泛应用。但是，由于硅材料受到禁带宽度较大、表面反射率较高、吸收光谱较窄等缺点的制约，使得进一步发挥硅材料优势时遇到了阻碍。

1998年，哈佛大学Eric Mazur教授和他的团队在研究高能飞秒激光与物质相互作用的时候，意外获得了一种从肉眼上看呈黑色的硅材料，这种硅材料表面分布着微米量级的尖锥状森林结构，即黑硅材料。由于在硅材料中掺杂了硫系元素，改变了材料的禁带宽度，且黑硅材料森林状的表面结构，使得入射到黑硅表面的光在森林状结构内部经过无数次反射最终几乎全部被吸收，因此，黑硅材料对近紫外-近红外波段(200nm-2500nm)的光的吸收效率达到近90％，且具有超高的光电导增益，产生的光电流远远大于传统硅材料。

自从发现并报道黑硅材料具有多种优良的性能之后，国内外的研究机构先后都有跟进研究。现有技术已经对飞秒激光烧蚀黑硅中的背景气氛包括真空、空气、N₂等进行了研究，但是，受刻蚀条件和背景气氛的影响，硅衬底的表面形态呈山丘状，陷光能力不足，严重影响材料对光的吸收率。

发明内容

本发明的目的在于得到一种具有尖锥状表面形态的黑硅材料，以提高黑硅材料的陷光性。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种黑硅材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：清洗硅衬底；

S2：采用热沉淀法在硅衬底表面沉积一层硒膜；

S3：将覆膜后的硅衬底置于压强为7×10⁴Pa～1×10⁵Pa的氟化氢气体氛围中进行飞秒激光刻蚀；刻蚀过程中，控制飞秒激光的光通量为1kJ/m²～10kJ/m²，扫描速度为0.5mm/s～10mm/s；

S4：依次用氢氟酸和去离子水清洗刻蚀后的硅衬底，再用氮气吹干，得黑硅材料。

本发明通过热沉淀法在硅衬底表面形成硒膜，所形成的硒膜分厚度分布更加均匀，可保证最终产品的均匀性与稳定性。选用氟化氢作为背景气体，氟化氢游离出F-离子，其与硅衬底表面汽化的硅原子反应，生成SiF₂和SiF₄气体，两种气体均易挥发，从而在硅表面形成均匀分布的凹陷区，后续的飞秒激光脉冲经过多次反射，能量主要作用于这些凹陷区，从而加快凹陷区的刻蚀过程，最终在硅衬底表面能形成微结构尖锥阵列。在进行飞秒激光刻蚀时，将光通量控制在1kJ/m²～10kJ/m²的范围内，扫描速度控制在0.5mm/s～10mm/s的范围内，这是因为：随着光通量的增加，黑硅材料表面的尖锥形貌越来越明显，但是过高的的光通量会导致尖锥结构面密度降低，尖锥结构被破坏；扫描速度的降低，意味着激光与材料作用时间变长，会使更多的表面材料消融。而将光通量和扫描速度控制在上述范围内，所得到的黑硅材料表面的尖锥分布均匀，具有较好的宽深比，材料在可见光和近红外的吸收率也较为理想。本发明所制得的黑硅材料的陷光原理如图2所示，经过黑硅材料表面的尖锥来回折射与吸收，可以将对可见光和近红外波段的光的吸收率提高到93％以上。