基于同步辐射的黑硅红外增强吸收机理研究

Black silicon has excellent properties of full-spectrum light absorption, since it can absorb almost completely the light with wavelength from 250 nm to 2500 nm. When the energy of incident photon is larger than the silicon band gap, the enhanced absorption can be attributed to the multireflection and thus light trapping, induced by the surface microstructures of black silicon; When the energy of the incident photon is smaller than the silicon band gap, it has been well accepted that the strong absorption is due to the hyperdoped chalcogen. However, concerning the detailed mechanisms responsible for the strong infrared absorption, there still exists different opinions. Annealing the black silicon even at 200℃, with which temperature the doped chalcogen can not diffuse thermally, the infrared absorption of black silicon begins to drop, which indicates that the infrared absorption very probably originates from some kinds of unknown Si-chalcogen local configurations. Up to now, however, we still have little informations about this kind of local chalcogen configurations. This research plan aims at exploring the detailed informations about this kind of local chalcogen configurations and the effects of post annealing on it, by using the strong detect tools of synchrotron radiation X-ray absorption fine structure (XAFS) and synchrotron radiation X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), together with the change of infrared absorption during annealing, in order to demonstrate clearly the micromechanism of infrared absorption of black silicon. The expected results will be very instructive to improve the performance of the photoelectronic devices based on black silicon at the infrared wavelength band.

黑硅具有优异的全光谱吸收性能，波长从250nm到2500nm其吸收率都接近1。当入射光子能量大于硅禁带宽度时，增强的光吸收主要是由于黑硅表面微结构多次反射带来的陷光效应；当入射光子能量小于硅的禁带宽度时，吸收的增强目前大家都认为是由于硫族元素的过饱和掺杂引起的。但对掺入的硫族元素通过何种机制吸收红外光还存在争议。黑硅在较低温度下（200℃）退火时，掺杂元素还无法热扩散，它在红外波段的强吸收就开始下降，这使人们认为红外吸收很可能是硫族元素与硅形成的一种局域结构的吸收。但目前我们对这种局域结构的详细信息所知甚少。本项目计划应用同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）和同步辐射X射线光电子能谱（XPS），来探测退火前后黑硅内掺杂原子周围的局域结构和化学态的微观变化，结合退火中黑硅红外光吸收的变化，从而阐明黑硅红外吸收的详细机制，这对进一步提高黑硅光电器件在红外波段的性能具有重要指导意义。

黑硅材料可以强烈吸收波长从250nm到2500nm范围内的光，并且吸收率均在90%以上，这种优异的光学性质使它可以用来制作廉价的硅基红外探测器。但是，黑硅的红外吸收热稳定性不好，在略高于200oC退火时，它的红外吸收就开始衰退。本项目计划探索研究赋予黑硅红外吸收的局域原子结构，以此来控制和利用它的红外吸收特性。主要研究内容，重要结果和关键数据：(1)采用新的工艺路线，包括化学刻蚀，硫离子注入和纳秒激光退火，所制备的黑硅材料在可见光波段的吸收率从65%增加到80%，在红外波段从30%增加到70%，这种新工艺将成为制备黑硅红外探测器的标准。（2）对比热退火对织构和非织构的黑硅样品的影响，热退火使前者的红外吸收率下降更慢，反射率和透射率的变化可以归因于光吸收态密度的减少。另外光吸收态可以释放出更多的电子，并且对载流子的散射更强。这些结果阐明了热退火对黑硅光学和电学性质的影响。（3）将热退火过程光激活态到非激活态的转变视为一个化学分解反应，S-，Se-和Te-掺杂的黑硅样品对应的反应热激活能分别为0.338eV，0.471eV和0.357eV。这些结果与第一性原理计算结果进行对照，我们认为黑硅内引起红外吸收的结构并不是大家以前都普遍认为的替代位杂质，而是几种可能的亚稳态间隙位杂质，这进一步澄清了黑硅红外吸收的微观机理。（4）我们应用大量的第一性原理计算，遍寻了晶硅内所有亚稳态的间隙位，发现其中的一半都会形成半充满的中间带，这对构筑黑硅中间带太阳电池提供了可能。（5）我们还采用化学方法来制备黑硅材料，可以制备出排列有序的不同直径和长度的硅纳米线，用它制成的探测器可比商用探测器探测到更长波长，达到1210nm，这些研究结果对于发展廉价的红外探测器有重要意义。