晶體硅襯底的表面織構(gòu)和光學(xué)特性的說明

引言

本文介紹了表面紋理對硅晶圓光學(xué)和光捕獲特性影響。表面紋理由氫氧化鉀(KOH)和異丙醇(IPA)溶液的各向異性蝕刻來控制。（001）晶硅晶片的各向異性蝕刻導(dǎo)致晶片表面形成金字塔面。利用輪廓測量法、光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡相結(jié)合，研究了KOH/IPA蝕刻對紋理表面形態(tài)和粗糙度的影響。結(jié)果表明，在80℃以下的溫度下，IPA濃度對（001）-單晶晶體表面粗糙度的影響最強(qiáng)。高于該值時(shí)，在硅襯底上顯示出溫度引起裂紋。氫氧化鉀：IPA的最佳體積濃度比也為2：4。討論了這項(xiàng)研究對硅太陽能電池中光捕獲設(shè)計(jì)的意義。

實(shí)驗(yàn)

1、襯底準(zhǔn)備。本研究中使用的是（001）型p型硅晶圓，在紋理過程之前，晶片在0.5%HF中浸泡100秒，然后用蒸餾去離子(DI)水沖洗，在氮?dú)庵懈稍?。本研究探討了以下因素的影響：蝕刻劑濃度、工藝溫度和過程持續(xù)時(shí)間。對于每組實(shí)驗(yàn)，一個(gè)參數(shù)是變化的，而保持其他兩個(gè)變量不變。工藝參數(shù)總結(jié)在圖1中。這表明蝕刻時(shí)間在30至60分鐘之間變化，以10分鐘為步長，同時(shí)保持溫度和濃度恒定。同樣，蝕刻溫度在50C和90℃之間變化。這是在10C的步驟中完成的，同時(shí)保持蝕刻時(shí)間和濃度不變。最后，在保持蝕刻時(shí)間和蝕刻溫度不變的情況下，分別在不同濃度(克/毫升)和體積比的氫氧化鉀和異丙醇下進(jìn)行紋理化工藝。在每個(gè)紋理化過程之后，紋理化樣品然后在蒸餾去離子水中漂洗，并在干燥氮?dú)庵懈稍铩?/p>

2、光學(xué)表征和表面形態(tài)。使用光譜儀測量紋理樣品的光學(xué)反射率，利用氘鹵素光源將光以垂直于晶圓表面的角度指向晶片樣品。在每個(gè)樣品表面的8個(gè)點(diǎn)上獲得了反射光譜。這被用來表征紋理表面的均勻性。使用表面分析儀測量了紋理樣品的平均表面粗糙度，Ra是根據(jù)整個(gè)測量的長度或面積計(jì)算出的主要高度。它被用于描述紋理表面的粗糙度，并檢測總體剖面高度特征的一般變化。這被用來確定晶片上六個(gè)不同區(qū)域的粗糙度輪廓，然后對6個(gè)區(qū)域的結(jié)果取平均值，得到每個(gè)樣品的平均表面粗糙度。

使用在10千伏下操作的電子顯微鏡對蝕刻晶片進(jìn)行掃描電鏡觀察。紋理表面的原子力顯微鏡分析使用了在攻絲過程中操作的原子力顯微鏡模式。原子力顯微鏡尖端的長度為125毫米，尖端半徑為8納米。它們也有353千赫的共振頻率。掃描以慢掃描速率(1–3Hz)進(jìn)行，以獲得原子力顯微鏡圖像。

結(jié)果和討論

表面粗糙度和形態(tài)。平均表面粗糙度(Ra)與蝕刻時(shí)間(T)和溫度(T)的關(guān)系分別如圖2(a)和2(b)所示。結(jié)果表明，隨著腐蝕時(shí)間的增加，Ra開始時(shí)迅速增加。然而，在50分鐘的蝕刻時(shí)間以上，它變得幾乎穩(wěn)定。同樣，表面粗糙度隨著溫度的升高而增加。對于本文研究的持續(xù)時(shí)間和溫度范圍，在90℃的蝕刻溫度下，蝕刻時(shí)間為60分鐘，獲得了676納米的最高平均表面粗糙度值。Ra隨T和T的變化歸因于蝕刻速率隨T或T的增加而增加。

織構(gòu)化晶片的吸收光譜

異丙醇的體積濃度越高，表面越粗糙，金字塔分布越均勻。它們也增加了硅表面金字塔的密度。然而，金字塔結(jié)構(gòu)從粗糙面到光滑面的變化，也可歸因于異丙醇體積濃度增加的影響，這導(dǎo)致反射減少。上述結(jié)果表明，可以調(diào)節(jié)異丙醇濃度與氫氧化鉀濃度的比率來控制(001)硅表面的蝕刻和最終的表面形態(tài)。最終，這種洞察力可用于控制硅晶片的晶片表面反射率。還可以通過提高蝕刻溫度和蝕刻持續(xù)時(shí)間來加快蝕刻速度.然而，應(yīng)該避免80℃以上的蝕刻溫度，因?yàn)檫@高于異丙醇的沸點(diǎn)(82.4℃)。

原子力顯微鏡圖像還顯示，在用更高濃度的氫氧化鉀蝕刻后，{111}面出現(xiàn)了一些局部粗糙化或損傷，這種局部粗糙化可能導(dǎo)致?lián)p壞和光散射。因此，需要將氫氧化鉀的濃度限制在能夠最小化這種局部粗糙化的水平。相反，通過在中等濃度的氫氧化鉀中增加異丙醇的濃度來增強(qiáng)(001)取向硅表面的蝕刻。

總結(jié)

本研究探討了氫氧化鉀:異丙醇對(001)取向硅單晶的刻蝕作用。結(jié)果表明，在高達(dá)80℃的溫度下，異丙醇濃度對(001)硅單晶的表面粗糙度影響較大。蝕刻速率也隨著蝕刻溫度持續(xù)時(shí)間的增加和氫氧化鉀濃度的增加而增加。然而，氫氧化鉀:異丙醇的體積濃度高于2:4會導(dǎo)致暴露1小時(shí)后的表面損傷。增加異丙醇的體積濃度也會在(001)取向的硅表面上產(chǎn)生更光滑的金字塔面。

用氫氧化鉀:異丙醇混合物控制蝕刻(100)取向硅晶片相關(guān)的表面反射率的降低表明，通過形成促進(jìn)多次反射的紋理化硅表面，可以使用控制蝕刻來捕獲光，增加與入射光線的相互作用可以增加(001)硅單晶吸收的光量。因此，硅片的受控紋理化可用于通過降低反射率來提高(100)硅太陽能電池的吸收率和光轉(zhuǎn)換效率。

審核編輯：符乾江