基于傳遞矩陣法的黑硅表面織構及反射率分析

1抗反射性能菲涅耳反射是由于兩個材料界面上的不連續性。例如，在空氣和硅材料之間的界面中，空氣中的nair。1從1級到ni.3.5級。這種折射跳躍極大地降低了原始硅表面的反射率，這嚴重影響了硅基光學裝置，尤其是硅基太陽能電池的性能。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，但只能對特定波長的入射光產生抗反射效果。表面組織是另一種有效降低硅表面反射率的方法。例如，工業上經常使用堿性溶液腐蝕方法，在單晶硅表面制備納米顆粒結構。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。在工業上，通常使用酸蝕法制備微芯片表面的納米結構，以減少反射，但酸蝕法中的硅表面反射率為25%。為了進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，它會影響太陽能電池的性能。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域較窄。本文采用等離子體浸沒離子注入(plasmaimmersionionimplantation,簡記為PⅢ)的方法制備黑硅抗反射層.分別通過原子力顯微鏡(atomicforcemicroscope,簡記為AFM)和紫外-可見-紅外分光光度計對黑硅表面形貌和反射率進行分析.并通過傳遞矩陣方法對黑硅樣品光學反射進行模擬,分析黑硅的抗反射特性.2等離子體處理實驗所用的硅片為p型(100)晶向,直徑為150mm,邊長為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設備系統完成.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;整個等離子體處理過程持續5min.在PⅢ過程中,離化的氟基會注入到硅襯底中并與硅反應生成揮發性的SiF4氣體,從而起到刻蝕的作用;生成物SixOyFz會沉積到硅的表面阻止氟基與硅的繼續反應,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撞擊沉積的SixOyFz,從而使氟基繼續與硅反應.在上述三種效應的共同作用下,硅片表面形成隨機分布的結構.黑硅樣品表面形貌由AFM測得.黑硅樣品反射率由帶有積分球的紫外-可見-近紅外分光光度計測得,測試波長范圍為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分布的山峰狀結構,結構高度分布在0—550nm,即抗反射層厚550nm,結構周期約為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:在整個波段,黑硅樣品的反射率明顯低于原始硅片的反射率.在標準AM1.5G(1000W/m2,25℃)太陽光譜下,對300-1000nm波段范圍內反射率求加權平均反射率,得到原始單晶硅和黑硅樣品的加權平均反射率分別29.8%和6.0%.黑硅樣品的低反射率源于其表面的山峰狀結構抗反射層.在黑硅抗反射層中,硅的體積分數隨抗反射層厚度的變化而變化,導致折射率隨抗反射層厚度的變化而變化,最終導致黑硅樣品在寬波段的低反射率.圖3給出了硅體積分數和結構高度比率隨著抗反射層深度的分布曲線,其是根據AFM測得的黑硅樣品表面形貌(圖1)分析得到.圖3曲線a為硅體積分數隨抗反射層深度的分布,曲線b為結構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,硅體積分數從100%(硅襯底與抗反射層界面處)連續降低至0(抗反射層與空氣界面處).當抗反射層深度從0增加到150nm時,硅體積分數從100%緩慢降低到93%;當抗反射層深度從150nm繼續增加到370nm時,硅體積分數由93%迅速降低到7%;當抗反射層深度繼續由370nm增加到550nm時,硅體積分數由7%緩慢降低到0.硅體積分數的降低主要分布在150—370nm,說明抗反射層中的結構高度多分布在150—370nm區間,與圖3曲線b給出的結構高度比率隨抗反射層深度的分布一致.由于黑硅結構特征尺寸小于入射光波長,所以當光照射到黑硅樣品表面時,光不是通過與單個結構的漫散射作用降低反射率,而是通過與整個結構層的作用降低反射率.根據有效介質理論,特征周期小于入射光波長的黑硅抗反射層可以等效成多層有效介質,有效介質的折射率介于空氣與硅之間,每層等效介質的折射率n(z)可根據MaxwellGarnett模型求出:其中,f(z)為硅體積分數,nair為空氣的折射率,nSi為硅襯底的折射率.圖4給出了整個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連續變化到與空氣相鄰處的1.這種連續的變化不是簡單的線性變化,通過多項式擬合發現,折射率隨抗反射層深度的增加呈七次冪函數分布.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界面,下面各層等效成另一個界面,整個系統等效成一個抗反射層,再利用菲涅爾公式即可求得多層膜的抗反射系數,繼而求得多層膜的反射率:式中Y=C/B為等效光學導納,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為實際測量和模擬的黑硅樣品反射譜,曲線a為實際測量的反射譜,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,模擬波長范圍為300—1000nm,模擬時假設光垂直入射.對比圖5曲線a和曲線b發現:1)模擬譜與實測譜幾乎完全符合,通過計算得到模擬譜的加權平均反射率為5.9%,幾乎等于實測譜的加權平均反射率6.0%;2)模擬的反射譜光滑無振蕩.這不同于報道中的結果,報道中的模擬反射譜往往高于實測值,且模擬的反射譜存在明顯的振蕩.本文的模擬結果與實測結果符合的原因是:1)模擬是基于AFM測得的黑硅表面形貌完成的,準確反映了黑硅樣品的表面粗糙度,消除了表面粗糙度對模擬結果的影響;2)模擬時每個等效介質的厚度為1nm,等效介質層的數量足夠多,使得折射率隨抗反射層深度連續變化,最終導致寬波段范圍內平滑的低反射率曲線.4—結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.整個抗反射層厚度