DOL:10.13374/.issn1001-053x.2011.05.022 第33卷第5期 北京科技大学学报 Vol.33 No.5 2011年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2011 多晶黑硅的制备及其组织性能 刘邦武夏洋四刘杰李超波 中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京100029 ☒通信作者，E-mail:xiayang@(ime.ac.cm 摘要利用等离子体浸没离子注入技术在多晶硅基底上制备了黑硅材料，利用扫描电镜、分光光度计和微波光电导衰减测 试仪对黑硅的组织结构、光吸收率和少数载流子寿命进行了测试分析，发现黑硅呈现多孔组织，在可见光波段的平均吸收率 大于94%，其平均少数载流子寿命为5.68us.研究了注入工艺参数对黑硅的影响，发现工作气体SF。和02流量比对黑硅的 组织性能影响最大，当其为2.80时制备的黑硅组织性能最好. 关键词黑硅：等离子体浸没离子注入；组织：光吸收率 分类号TN304.1 Fabrication and characterization of black polycrystalline silicon IU Bang-wu,.XIA Yang☒，LIUJie,I Chao--bo Key Laboratory of Microelectronics Devices Integrated Technology,Institute of Microelectronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China Corresponding author,E-mail:xiayang@ime.ac.cn ABSTRACT Black silicon was prepared with polycrystalline silicon by plasma immersion ion implantation.The microstructure,opti- cal absorbance and lifetime of minority carriers of the black silicon were characterized by scanning electron microscopy (SEM),UV- VIS-NIR spectrophotometer and microwave photoconductive decay (u-PCD),respectively.The results show that the black silicon has a porous structure.The average absorbance of the black silicon is above 94%in the visible region.The average lifetime of minority carriers in the black silicon is 5.68 us.The effect of immersion parameters on the black silicon was investigated.It is found that the gas flux ratio of SF to O plays an important role in the microstructure and properties,and its optimum value is 2.80. KEY WORDS black silicon:plasma immersion ion implantation:microstructure:optical absorbance 面对当前的能源危机和化石类燃料的大量耗用 佛大学的Sheehy等利用飞秒激光方法制备了黑 所引发的温室效应、酸雨等环境问题，迫切需要在世 硅材料，并进行了非平衡硫掺杂，太阳能电池的转 界范围内开发和有效利用新能源四.太阳能电池作 换效率为8.8%~13.9%.美国国家可再生能源 为一个清洁高效的绿色可持续能源系统，将为太阳 实验室的研究人员发现了一种纳米催化蚀刻的纳 能的有效利用提供更广阔的前景-.因此，针对太 米多孔黑硅层，可用于硅太阳能电池的高效抗反 阳能电池光电转换效率的探索也必将是一个极具应 射薄膜，将黑硅太阳能电池的转换效率提高至 用意义和发展前景的方向囚.太阳能电池由于成 16.8%o 本太高而无法取代传统能源，降低成本就成为这 本文利用等离子体浸没离子注入技术制备黑硅 一行业最大的问题因，而太阳能电池成本与太阳 材料，工艺简单且价格低廉，有望用于大规模太阳能 能电池的效率密切相关.硅由于高折射率，其反 电池的生产. 射损失可达40%以上网，即硅基太阳能电池光的 1实验 反射率较高，从而降低了器件的实际效率.黑硅就 是指反射率很低的硅表面或硅基薄膜，有望在高 1.1黑硅的制备 效品体硅太阳能电池领域获得广泛应用.美国哈 基片采用P型多晶硅片，电阻率为1~ 收稿日期：2010-07-07第 33 卷 第 5 期 2011 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 5 May 2011 多晶黑硅的制备及其组织性能 刘邦武 夏 洋 刘 杰 李超波 中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京 100029 通信作者，E-mail: xiayang@ ime． ac． cn 摘 要 利用等离子体浸没离子注入技术在多晶硅基底上制备了黑硅材料，利用扫描电镜、分光光度计和微波光电导衰减测 试仪对黑硅的组织结构、光吸收率和少数载流子寿命进行了测试分析，发现黑硅呈现多孔组织，在可见光波段的平均吸收率 大于 94% ，其平均少数载流子寿命为 5. 68 μs． 研究了注入工艺参数对黑硅的影响，发现工作气体 SF6 和 O2 流量比对黑硅的 组织性能影响最大，当其为 2. 80 时制备的黑硅组织性能最好． 关键词 黑硅; 等离子体浸没离子注入; 组织; 光吸收率 分类号 TN304. 1 Fabrication and characterization of black polycrystalline silicon LIU Bang-wu，XIA Yang ，LIU Jie，LI Chao-bo Key Laboratory of Microelectronics Devices ＆ Integrated Technology，Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China Corresponding author，E-mail: xiayang@ ime． ac． cn ABSTRACT Black silicon was prepared with polycrystalline silicon by plasma immersion ion implantation． The microstructure，opti￾cal absorbance and lifetime of minority carriers of the black silicon were characterized by scanning electron microscopy ( SEM) ，UV￾VIS-NIR spectrophotometer and microwave photoconductive decay ( μ-PCD) ，respectively． The results show that the black silicon has a porous structure． The average absorbance of the black silicon is above 94% in the visible region． The average lifetime of minority carriers in the black silicon is 5. 68 μs． The effect of immersion parameters on the black silicon was investigated． It is found that the gas flux ratio of SF6 to O2 plays an important role in the microstructure and properties，and its optimum value is 2. 80． KEY WORDS black silicon; plasma immersion ion implantation; microstructure; optical absorbance 收稿日期: 2010--07--07 面对当前的能源危机和化石类燃料的大量耗用 所引发的温室效应、酸雨等环境问题，迫切需要在世 界范围内开发和有效利用新能源［1］． 太阳能电池作 为一个清洁高效的绿色可持续能源系统，将为太阳 能的有效利用提供更广阔的前景［2--4］． 因此，针对太 阳能电池光电转换效率的探索也必将是一个极具应 用意义和发展前景的方向［5］． 太阳能电池由于成 本太高而无法取代传统能源，降低成本就成为这 一行业最大的问题［6］，而太阳能电池成本与太阳 能电池的效率密切相关． 硅由于高折射率［7］，其反 射损失可达 40% 以上［8］，即硅基太阳能电池光的 反射率较高，从而降低了器件的实际效率． 黑硅就 是指反射率很低的硅表面或硅基薄膜，有望在高 效晶体硅太阳能电池领域获得广泛应用． 美国哈 佛大学的 Sheehy 等［9］利用飞秒激光方法制备了黑 硅材料，并进行了非平衡硫掺杂，太阳能电池的转 换效率为 8. 8% ～ 13. 9% ． 美国国家可再生能源 实验室的研究人员发现了一种纳米催化蚀刻的纳 米多孔黑硅层，可用于硅太阳能电池的高效抗反 射薄膜，将黑硅太阳能电池的转换效率提高至 16. 8%［10］． 本文利用等离子体浸没离子注入技术制备黑硅 材料，工艺简单且价格低廉，有望用于大规模太阳能 电池的生产． 1 实验 1. 1 黑硅的制备 基片 采 用 p 型 多 晶 硅 片，电 阻 率 为 1 ～ DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.05.022