基于电场调制的金属辅助刻蚀技术及其机理研究

High aspect ratio miro/nano-structures have wide applications in photovoltaic devices, microelectromechanical systems and micro/nano-optical elements. Especially its excellent antireflective performance can significantly enhance the solar photovoltaic conversion efficiency. At present, However, it is still has some extent challenges for the micro/nanofabrication technologies to fabricate high aspect ratio miro/nano-structures on semiconductors. In this project, we propose an electrical modulation of metal-assisted chemical etching (MacEtch) technique and the study of its mechanism. Firstly, the electric field induced directional migration is used to modulate the spatial distribution of holes, which can improve the anisotropy of MacEtch and accelerate the etching process. Secondly, the electrochemical research methods for the study of galvanic corrosion are used to investigate the kinetics of MacEtch. The finite element method is applied to simulate the spatial distribution of holes. Finally, we want to correlate the geometry parameters of high aspect ratio miro/nano-structures with the antireflective performance and solar photovoltaic conversion efficiency. This project is aimed at breaking through the challenges for the fabrication of high aspect ratio miro/nano-structures. We hope the electrical modulation of metal-assisted chemical etching will realize the fabrication of high efficient antireflective surface for solar cells with large area, low coast, and high consistency.

高深宽比微纳结构在光伏器件、微机电系统、微纳光学元件等领域都有着广泛的运用。特别是其具有的优异的抗反射效率，能够显著提高太阳能电池光电转换效率。然而现有微纳加工技术针对半导体高深宽比微纳结构的加工仍然存在一定挑战。本项目提出一种基于电场调制的金属辅助刻蚀加工技术及其机理研究，具体思路为：（1）利用电场诱导空穴的定向迁移作用调控空穴的空间分布，提高金属辅助刻蚀的各相异性度，加速刻蚀进程，从而显著提高其加工高深宽比微纳结构的能力。（2）从电化学方法研究电偶腐蚀的思路探究金属辅助刻蚀的动力学和机理，利用有限元方法模拟仿真空穴的空间分布，为工艺优化提供理论指导。（3）研究高深宽比微纳结构参数与太阳能电池抗反射效率和光电转换效率之间的构效关系。本项目以突破高深宽比微纳结构的加工难题为目标，以太阳能电池高抗反射纳米结构为应用导向，以期最终实现高深宽比高效抗反射结构的大面积、低成本、高一致性加工。

高深宽比微纳结构在光伏器件、微机电系统、微纳光学元件等领域都有着广泛的运用。特别是其具有的优异的抗反射效率，能够显著提高半导体光电催化性能。然而现有微纳加工技术针对半导体高深宽比微纳结构的加工仍然存在一定挑战。本项目提出一种基于电场调制的金属辅助刻蚀加工技术及其机理研究，研究情况如下：（1）研究了外加电场对金属辅助刻蚀过程中空穴定向迁移的调控作用。通过外加电场对空穴迁移的定向调控作用，系统研究了外加电压、催化金属沉积量、氧化剂浓度、刻蚀温度等参数对硅纳米线制备的影响，获得了不同长度和直径的硅纳米线，表征了其抗反射性能。（2）通过有限元模拟了空穴注入与消耗反应动力学以及电场作用下空穴定向迁移，提出了基于氧化还原电催化的金属辅助刻蚀机理，指出由于贵金属催化剂与半导体之间功函的差异，在相互接触时形成金属/半导体异质结，并与溶液中氧化剂的费米能级匹配是导致金属辅助刻蚀发生的根本原因。通过Tafel极化法，研究了阴阳极氧化还原电催化反应的电极过程动力学。通过接触力调控接触面积，研究了三相界面的界面反应与传质过程，通过有限元方法对上述尺寸依赖的界面刻蚀现象与超薄液层中的传质效应进行模拟和关联，结果表明：不均匀的界面钝化导致不均匀的局部腐蚀电流密度和界面刻蚀反应速率，并最终发展成为不同刻蚀结构。（3）通过电沉积技术制备得到了不同深宽比MoS2/Si-NWs催化剂和CoP/Si-NWs光催化剂，研究了助催化剂的量、硅纳米线长度以及包覆聚苯胺的量对其光电催化产氢性能的影响。通过交流阻抗测试表明：过长的纳米线增加了硅纳米线与助催化剂之间的电子传输电阻和助催化剂与反应物之间的电子转移电阻，并导致其催化性能的降低。上述基于电场调制的金属辅助刻蚀加工技术及其机理的研究结果对高深宽比半导体微纳结构的加工及其在光电催化中的应用提供了理论和方法支撑。