基于傳遞矩陣法的黑硅表面織構(gòu)及反射率分析

基于傳遞矩陣法的黑硅表面織構(gòu)及反射率分析

1抗反射性能菲涅耳反射是由于兩個(gè)材料界面上的不連續(xù)性。例如，在空氣和硅材料之間的界面中，空氣中的nair。1從1級(jí)到ni.3.5級(jí)。這種折射跳躍極大地降低了原始硅表面的反射率，這嚴(yán)重影響了硅基光學(xué)裝置，尤其是硅基太陽(yáng)能電池的性能。為了降低硅的入射光在硅表面的反射，通常在硅表面沉積一層，并在硅和空氣之間折疊抗反射膜。例如，累積層的折射層用于摩擦2.0-2.3m的硅膜，但只能對(duì)特定波長(zhǎng)的入射光產(chǎn)生抗反射效果。表面組織是另一種有效降低硅表面反射率的方法。例如，工業(yè)上經(jīng)常使用堿性溶液腐蝕方法，在單晶硅表面制備納米顆粒結(jié)構(gòu)。由于晶體材料的晶體方向不同，堿性溶液侵蝕的方法不能用于制備晶體的毛管。在工業(yè)上，通常使用酸蝕法制備微芯片表面的納米結(jié)構(gòu)，以減少反射，但酸蝕法中的硅表面反射率為25%。為了進(jìn)一步降低硅的反射率，人們研究了黑硅抗射層的制造方法。雖然綠神激光可以制備寬波反射率的抗射率，但其抗射層通常厚度為幾十毫米。由于抗射層的自身消耗，它會(huì)影響太陽(yáng)能電池的性能。電鉻侵蝕和離心分離器可以制備約1.5m的抗反射層，但該方法制備的抗反射層的低反射率區(qū)域較窄。本文采用等離子體浸沒離子注入(plasmaimmersionionimplantation,簡(jiǎn)記為PⅢ)的方法制備黑硅抗反射層.分別通過原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope,簡(jiǎn)記為AFM)和紫外-可見-紅外分光光度計(jì)對(duì)黑硅表面形貌和反射率進(jìn)行分析.并通過傳遞矩陣方法對(duì)黑硅樣品光學(xué)反射進(jìn)行模擬,分析黑硅的抗反射特性.2等離子體處理實(shí)驗(yàn)所用的硅片為p型(100)晶向,直徑為150mm,邊長(zhǎng)為125mm的類方形單晶硅,硅片厚210±20μm,電阻率為1—3Ω/cm.黑硅抗反射層的制備由PⅢ設(shè)備系統(tǒng)完成.所用工藝氣體為SF6/O2,氣體流量比為4/1;等離子體電源功率為1000W,工作壓強(qiáng)為1Pa;所加偏置電壓為脈沖直流偏壓,電壓的大小為-500V,脈沖寬度30μs;整個(gè)等離子體處理過程持續(xù)5min.在PⅢ過程中,離化的氟基會(huì)注入到硅襯底中并與硅反應(yīng)生成揮發(fā)性的SiF4氣體,從而起到刻蝕的作用;生成物SixOyFz會(huì)沉積到硅的表面阻止氟基與硅的繼續(xù)反應(yīng),從而起到鈍化的作用;在這過程中,在直流脈沖偏壓作用下加速的高能離子會(huì)撞擊沉積的SixOyFz,從而使氟基繼續(xù)與硅反應(yīng).在上述三種效應(yīng)的共同作用下,硅片表面形成隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu).黑硅樣品表面形貌由AFM測(cè)得.黑硅樣品反射率由帶有積分球的紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)測(cè)得,測(cè)試波長(zhǎng)范圍為300—1000nm,光入射角為8°.3抗反射層深度圖1給出采用PⅢ制備的黑硅表面形貌的AFM圖.可見黑硅樣品表面布滿了隨機(jī)分布的山峰狀結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)高度分布在0—550nm,即抗反射層厚550nm,結(jié)構(gòu)周期約為300nm.圖2為原始單晶硅和黑硅樣品反射率曲線,其中曲線a為原始單晶硅反射譜,曲線b為黑硅樣品的反射譜.可以看出:在整個(gè)波段,黑硅樣品的反射率明顯低于原始硅片的反射率.在標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G(1000W/m2,25℃)太陽(yáng)光譜下,對(duì)300-1000nm波段范圍內(nèi)反射率求加權(quán)平均反射率,得到原始單晶硅和黑硅樣品的加權(quán)平均反射率分別29.8%和6.0%.黑硅樣品的低反射率源于其表面的山峰狀結(jié)構(gòu)抗反射層.在黑硅抗反射層中,硅的體積分?jǐn)?shù)隨抗反射層厚度的變化而變化,導(dǎo)致折射率隨抗反射層厚度的變化而變化,最終導(dǎo)致黑硅樣品在寬波段的低反射率.圖3給出了硅體積分?jǐn)?shù)和結(jié)構(gòu)高度比率隨著抗反射層深度的分布曲線,其是根據(jù)AFM測(cè)得的黑硅樣品表面形貌(圖1)分析得到.圖3曲線a為硅體積分?jǐn)?shù)隨抗反射層深度的分布,曲線b為結(jié)構(gòu)高度比率隨抗反射層深度的分布.由圖3可見:隨著抗反射層深度的增加,硅體積分?jǐn)?shù)從100%(硅襯底與抗反射層界面處)連續(xù)降低至0(抗反射層與空氣界面處).當(dāng)抗反射層深度從0增加到150nm時(shí),硅體積分?jǐn)?shù)從100%緩慢降低到93%;當(dāng)抗反射層深度從150nm繼續(xù)增加到370nm時(shí),硅體積分?jǐn)?shù)由93%迅速降低到7%;當(dāng)抗反射層深度繼續(xù)由370nm增加到550nm時(shí),硅體積分?jǐn)?shù)由7%緩慢降低到0.硅體積分?jǐn)?shù)的降低主要分布在150—370nm,說明抗反射層中的結(jié)構(gòu)高度多分布在150—370nm區(qū)間,與圖3曲線b給出的結(jié)構(gòu)高度比率隨抗反射層深度的分布一致.由于黑硅結(jié)構(gòu)特征尺寸小于入射光波長(zhǎng),所以當(dāng)光照射到黑硅樣品表面時(shí),光不是通過與單個(gè)結(jié)構(gòu)的漫散射作用降低反射率,而是通過與整個(gè)結(jié)構(gòu)層的作用降低反射率.根據(jù)有效介質(zhì)理論,特征周期小于入射光波長(zhǎng)的黑硅抗反射層可以等效成多層有效介質(zhì),有效介質(zhì)的折射率介于空氣與硅之間,每層等效介質(zhì)的折射率n(z)可根據(jù)MaxwellGarnett模型求出:其中,f(z)為硅體積分?jǐn)?shù),nair為空氣的折射率,nSi為硅襯底的折射率.圖4給出了整個(gè)黑硅抗反射層中折射率隨抗反射層深度的分布曲線,其中曲線a為線性變化曲線(對(duì)比曲線),曲線b為黑硅抗反射層中折射率隨抗反射層深度的分布曲線.由圖4可見:隨著黑硅抗反射層深度從0增加到550nm,折射率從與襯底相鄰處的3.5連續(xù)變化到與空氣相鄰處的1.這種連續(xù)的變化不是簡(jiǎn)單的線性變化,通過多項(xiàng)式擬合發(fā)現(xiàn),折射率隨抗反射層深度的增加呈七次冪函數(shù)分布.將黑硅樣品等效成多層抗反射層,可以在其中任取一層,把上面各層等效成一個(gè)界面,下面各層等效成另一個(gè)界面,整個(gè)系統(tǒng)等效成一個(gè)抗反射層,再利用菲涅爾公式即可求得多層膜的抗反射系數(shù),繼而求得多層膜的反射率:式中Y=C/B為等效光學(xué)導(dǎo)納,可用傳遞矩陣法求得:式中2δ為相鄰兩相干光束的位相差,δk=2πnkdkcosθk/λ(k=0,1,…,m),而θk可由sin(θ0)=nksinθk(k=1,2,…,m)求出.圖5為實(shí)際測(cè)量和模擬的黑硅樣品反射譜,曲線a為實(shí)際測(cè)量的反射譜,曲線b為模擬得到的反射譜,其中模擬譜是用傳遞矩陣法模擬得到,模擬波長(zhǎng)范圍為300—1000nm,模擬時(shí)假設(shè)光垂直入射.對(duì)比圖5曲線a和曲線b發(fā)現(xiàn):1)模擬譜與實(shí)測(cè)譜幾乎完全符合,通過計(jì)算得到模擬譜的加權(quán)平均反射率為5.9%,幾乎等于實(shí)測(cè)譜的加權(quán)平均反射率6.0%;2)模擬的反射譜光滑無振蕩.這不同于報(bào)道中的結(jié)果,報(bào)道中的模擬反射譜往往高于實(shí)測(cè)值,且模擬的反射譜存在明顯的振蕩.本文的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果符合的原因是:1)模擬是基于AFM測(cè)得的黑硅表面形貌完成的,準(zhǔn)確反映了黑硅樣品的表面粗糙度,消除了表面粗糙度對(duì)模擬結(jié)果的影響;2)模擬時(shí)每個(gè)等效介質(zhì)的厚度為1nm,等效介質(zhì)層的數(shù)量足夠多,使得折射率隨抗反射層深度連續(xù)變化,最終導(dǎo)致寬波段范圍內(nèi)平滑的低反射率曲線.4—結(jié)論通過等離子體浸沒離子注入的方法制備了黑硅抗反射層.整個(gè)抗反射層厚度