專利名稱：一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅中間帶材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，具體是一種采用納秒、皮秒及飛秒激光對蒸鍍有鈦薄膜表層的硅材料進行輻照，在硅材料表層實現(xiàn)超過Mott相變鈦元素摻雜濃度的硅中間帶材料制備方法。
背景技術(shù)：
利用深能級在禁帶中的位置離價帶和導(dǎo)帶都比較遠，高濃度摻雜深能級雜質(zhì)的材料禁帶變窄效應(yīng)不顯著，高濃度深能級中心波函數(shù)相互交疊，載流子可以在深能級允態(tài)之間做共有化運動，在禁帶中形成雜質(zhì)能帶。普遍認為只有摻雜激活濃度超過Mott極限間隙帶才能形成，這只是針對平衡摻雜方法制備的材料而言。對于非平衡摻雜材料，缺陷態(tài)的分布與材料的熱處理過程有很大關(guān)系，所以并不能通過Mott極限來精準定義間隙帶的形成濃度。能夠在硅帶隙中引入中間帶的材料據(jù)報道只有鈦、硫、硒和碲。硫、硒和碲在硅禁帶中以施主的形式存在，第一性原理的計算表明對于硫系元素只有高濃度替位(大于 0.5%)的摻雜才能形成穩(wěn)定的間隙帶。然而硫、硒和碲元素在硅材料中的摻雜，一般不容易獲得高的替位率。對于鈦元素，其在硅材料中高濃度的間隙摻雜也能夠形成雜質(zhì)能帶，而鈦元素在硅材料中的穩(wěn)定態(tài)也是處于間隙位置的，所以在硅材料中摻入高濃度鈦元素形成中間帶理論上來說可行性更大。在硅材料中摻雜超過雜質(zhì)固溶度的深能級材料，需要采用非平衡摻雜方式，目前的非平衡摻雜方式主要包括離子注入和激光摻雜。離子注入能夠很好的控制摻雜的濃度和深度，但會引入晶格損傷，并且高濃度的深能級雜質(zhì)摻入(尤其是鈦元素的摻雜)一般需要較長時間，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。而通過大面積激光輻照的方式摻雜對其濃度和深度都很難很好的控制。所以非平衡摻雜的方式還需要很長時間的摸索和優(yōu)化。被認為最佳的中間帶制備材料鈦元素的熔點在1600°C，基本不能用高溫擴散的方法將其摻入硅材料中，并且這種平衡摻雜方法也不能實現(xiàn)超過雜質(zhì)固溶度的摻雜。而利用高能離子注入方法雖然能實現(xiàn)超過雜質(zhì)固溶度的摻雜，但要實現(xiàn)超過Mott相變的摻雜濃度，一個2英寸的硅片就需要超過十幾個小時的連續(xù)注入，很難實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。參考文獻KC. Tablero and P. Wahno‘ n, "Analysis of metallic intermediate-band formation in photovoltaic materials，，，Applied physics letters, 82,151, 2003.2> E. Antolin, A. Marti,1 J. Olea, D. Pastor, G. Gonzalez Diaz, I. Martil, and A. Luquel, "Lifetime recovery in ultrahighly titanium-doped silicon for the implementation of an intermediate band material，，94,042115, 2009.3> K. Sanchez, I. Aguilera, P. Palacios, and P. ffahnon, "Formation of a reliable intermediate band in Si heavily coimplanted with chalcogens(S, Se, Te) and group III elements (B，Al)”，Physical review B，82，165201，2010.
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發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，以實現(xiàn)在硅材料中超過Mott相變的鈦元素摻雜，解決鈦元素在硅材料中高濃度非平衡摻雜困難的問題。(二)技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，該方法包括在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜；以及采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層。上述方案中，所述在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜是采用電阻熱蒸發(fā)或電子束熱蒸發(fā)實現(xiàn)的。上述方案中，所述鈦薄膜的厚度介于幾個納米到幾十個納米之間。上述方案中，所述采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層的步驟中，超快激光的脈沖寬度、波長及能量是根據(jù)鈦材料和硅襯底材料對不同波長的超快激光的吸收系數(shù)、晶格重組恢復(fù)速度及材料凝固速度所計算得到的。上述方案中，所述超快激光為脈沖寬度為IOns的納秒激光、脈沖寬度為20ns的皮秒激光或脈沖寬度為30ns的飛秒激光。上述方案中，所述納秒激光的波長為266nm，能量為0. 6J/cm2 ；皮秒激光的波長為 532nm,能量為0. 8J/cm2 ；飛秒激光的波長為1064nm，能量為1. 4J/cm2。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，采用超快激光輻照鍍有鈦薄層的硅襯底的方法，實現(xiàn)了在硅材料中超過Mott相變的鈦元素摻雜，進而制備出了硅基中間帶材料，解決了鈦元素在硅材料中高濃度非平衡摻雜困難的問題。2、利用本發(fā)明，采用超快激光輻照鍍鈦薄膜的的硅襯底在硅材料中摻入超過Mott 相變的鈦元素所需設(shè)備只有一臺電阻熱蒸發(fā)或電子束熱蒸發(fā)和一臺相應(yīng)的激光器，具有成本低，材料制備快速、簡便的優(yōu)點。所制備中間帶材料能夠拓寬光伏太陽電池的轉(zhuǎn)換光譜， 能夠?qū)⒕w硅光伏太陽電池效率提高到30%以上，遠遠超出單結(jié)晶體硅太陽電池的極限效率。此外，這種中間帶材料也可用來制備低成本，便于集成的非本征硅紅外光電探測器。


圖1是依照本發(fā)明實施例制備基于超快激光摻雜的中間帶材料的方法流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。硅襯底對飛秒和皮秒激光的吸收屬于非線性吸收，激光能量的穿透深度非常淺， 激光能量被沉積在材料表面很薄的一層中，使得表面熔化層和襯底的溫度梯度較大，材料凝固的速度會遠遠大于晶格重組恢復(fù)的速度，所以飛秒激光和皮秒激光容易在硅材料表層生成過飽和摻雜的非晶相和多晶相。硅材料對納秒激光的吸收屬于線性吸收，其光子能量穿透相對比較深，其溫度梯度和凝固速率相對較小，能夠?qū)崿F(xiàn)晶格重組恢復(fù)，所以利用納秒激光輻照鈦薄膜覆蓋的硅材料表層能夠形成飽和摻雜的晶體硅材料。所以，采用超快激光輻照進行過高濃度摻雜的方法既可以獲得過飽和摻雜的晶體硅材料也可以獲得超過Mott 相變的非晶硅和多晶硅材料。如圖1所示，圖1示出了依照本發(fā)明實施例制備基于超快激光摻雜的中間帶材料的方法流程圖，該方法包括在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜；以及采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層。其中，所述在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜是采用電阻熱蒸發(fā)或電子束熱蒸發(fā)實現(xiàn)的。所述鈦薄膜的厚度介于幾個納米到幾十個納米之間。如果太薄會影響到摻雜的均勻性，太厚則會影響到激光能量的熱傳遞，進而影響到所制備材料的質(zhì)量。所述采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層的步驟中，超快激光的脈沖寬度、波長及能量是根據(jù)鈦材料和硅襯底材料對不同波長的超快激光的吸收系數(shù)、晶格重組恢復(fù)速度及材料凝固速度所計算得到的。本發(fā)明根據(jù)不同波長的納秒、皮秒和飛秒激光在鈦薄膜和硅材料的吸收系數(shù)，計算不同波長納秒、皮秒和飛秒激光在材料內(nèi)的穿透深度，然后根據(jù)晶格重組恢復(fù)的速度和材料凝固的速度選擇相應(yīng)的波長、激光能量和脈沖寬度及鈦薄層的蒸鍍厚度。在本發(fā)明提供的實施例中，所述超快激光為脈沖寬度為IOns的納秒激光、脈沖寬度為20ns的皮秒激光或脈沖寬度為30ns的飛秒激光，所述納秒激光的波長為^6nm，能量為0. 6J/cm2 ；皮秒激光的波長為532nm，能量為0. 8J/cm2 ；飛秒激光的波長為1064nm，能量為 1.4J/cm2。在本發(fā)明提供的實施例中，制備過飽和摻雜鈦元素的，形成中間帶的晶體硅材料， 采用脈沖寬度為幾十納米的，波長為266nm、532nm及1064nm的，不同能量的納秒激光分別輻照鍍有不同厚度鈦薄膜的硅材料表層。利用超快激光能量使材料表面產(chǎn)生瞬間高溫，將表層材料熔化，利用材料表層與襯底之間的溫度梯度，使凝固速度小于材料晶格重組恢復(fù)的速度，大于鈦元素析出的速度。實現(xiàn)超過雜質(zhì)固溶度的鈦原子溶陷于激光熔化的硅表層。 另外，對于制備摻雜鈦元素濃度超過Mott相變的多晶和非晶硅中間帶材料，則要采用皮秒和飛秒激光。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，其特征在于，該方法包括在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜；以及采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，其特征在于， 所述在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜是采用電阻熱蒸發(fā)或電子束熱蒸發(fā)實現(xiàn)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，其特征在于， 所述鈦薄膜的厚度介于幾個納米到幾十個納米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，其特征在于， 所述采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層的步驟中，超快激光的脈沖寬度、波長及能量是根據(jù)鈦材料和硅襯底材料對不同波長的超快激光的吸收系數(shù)、晶格重組恢復(fù)速度及材料凝固速度所計算得到的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，其特征在于， 所述超快激光為脈沖寬度為IOns的納秒激光、脈沖寬度為20ns的皮秒激光或脈沖寬度為 30ns的飛秒激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，其特征在于， 所述納秒激光的波長為266nm，能量為0. 6J/cm2 ；皮秒激光的波長為532nm，能量為0. 8J/ cm2 ；飛秒激光的波長為1064nm，能量為1. 4J/cm2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，該方法包括在硅襯底表層蒸鍍鈦薄膜；以及采用超快激光輻照蒸鍍有鈦薄膜的硅材料表層。本發(fā)明提供的基于超快激光摻雜的中間帶材料的制備方法，采用超快激光輻照鍍有鈦薄層的硅襯底的方法，實現(xiàn)了在硅材料中超過Mott相變的鈦元素摻雜，進而制備出了硅基中間帶材料，解決了鈦元素在硅材料中高濃度非平衡摻雜困難的問題。
文檔編號H01L31/18GK102437031SQ20111039115
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者李辛毅, 毛雪, 王帥, 胡少旭, 范玉杰, 韓培德 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所