eng
Выпуск #7/2024
Д. В. Горелов, Н. М. Сомов, И. В. Потапенко, Д. В. Новиков, В. В. Амеличев
Исследование спектра поглощения поверхностно-модифицированного кремния в диапазоне длин волн от 2,5 до 25 мкм
Исследование спектра поглощения поверхностно-модифицированного кремния в диапазоне длин волн от 2,5 до 25 мкм
Просмотры: 1023
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.7.536.538
Исследование спектра поглощения поверхностно-модифицированного кремния в диапазоне длин волн от 2,5 до 25 мкм
Д. В. Горелов 1, Н. М. Сомов 1, И. В. Потапенко 1, Д. В. Новиков 1, 2, В. В. Амеличев1
ФГБНУ НПК «Технологический центр», г. Зеленоград, Москва, Россия
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Зеленоград, Москва, Россия
Представлены результаты отработки технологии формирования модифицированных поглощающих поверхностей кремния, позволяющей улучшить спектральные характеристики приборов, создаваемых на его основе: устройств радиационного охлаждения, источников и датчиков ИК-излучения.
Ключевые слова: модификация поверхности кремния, плазмохимическое травление, оптическое поглощение, ИК-диапазон
Статья поступила: 18.09.2024
Статья принята: 04.10.2024
Поверхностно-модифицированный кремний представляет собой микроострийную структуру, одним из способов получения которой является глубокое анизотропное травление [1]. Благодаря такой морфологии поверхности достигается непрерывное изменение показателя преломления, что эффективно повышает поглощение оптического излучения [2]. Полученный поверхностно-модифицированный кремний с высотой микроострий h ≈ 10 мкм показал высокую поглощательную способность поверхности выше 90% в диапазоне длин волн от 2,5 до 23 мкм. Оптические свойства микроструктурированного кремния позволяют использовать его в фотовольтаике, при создании биосенсоров, светоизлучающих устройств, газочувствительных детекторов и антибактериальных покрытий [3–5].
Для получения поверхностно-модифицированного кремния использовался техпроцесс плазмохимического травления (ПХТ) кремния в плазме SF6 / C4F8 (Bosch-процесс) через маску из фоторезиста и SiO2 с размерами областей травления 10 × 10 мм2 и 15 × 15 мм2. Травление осуществлялось на установке Sentech SI 500. Параметры режима травления кремния по Bosch-процессу приведены в таблице.
В качестве пластин использовались стандартные подложки монокристаллического кремния марки КЭФ‑4,5 (100) с односторонней полировкой. Полученная морфология поверхности кремния, исследованная с использованием растровой электронной микроскопии (РЭМ), показана на рис. 1.
ПХТ кремния по Bosch-процессу имеет циклический характер и проходит в три этапа: этап ионного травления (зачистки) полимера на дне структуры, этап основной стадии травления и этап осаждения полимера. Для формирования поверхностно-модифицированного слоя кремния необходимо соблюдения баланса между этапами травления и осаждения полимера, таким образом, чтобы высадка полимера не препятствовала травлению, при этом образуя множество микроострий кремния. Соотношение травление / осаждение регулировалось длительностью этапов. Высота микроострий кремния регулировалась количеством циклов травления / осаждения.
Исследование оптических свойств поверхностно-модифицированного кремния осуществляюсь методом ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье на спектрометре ФСМ 2201 / 2202 в диапазоне длин волн от 2,5 до 25 мкм. Сравнение спектров поглощения до и после ПХТ кремния по Bosch-процессу приведено на рис. 2.
Из полученных зависимостей видно, что поглощение поверхностно-модифицированного кремния составляет более 90% в диапазоне от 2,5 до 23 мкм. Проведенный режим травления кремния может быть использован для получения поверхностно-модифицированного кремния с повышенной поглощательной способностью в более широком спектральном диапазоне [6]. Формирование поглощающих поверхностей позволит улучшить спектральные характеристики устройств радиационного охлаждения, источников и датчиков ИК-излучения.
Благодарность
Статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения НИР FNRM‑2022-0009.
REFERENCES
Nguyen V. T. H. et al. On the formation of black silicon in SF6-O2 plasma: The clear, oxidize, remove, and etch (CORE) sequence and black silicon on demand. Journal of Vacuum Science & Technology A. 2020; 38(4).
Atteia F. et al. Morphologies and optical properties of black silicon by room temperature reactive ion etching. Materials Research Bulletin. 2020; 131: 110973.
Chai J. Y. H., Wong B. T., Juodkazis S. Black-silicon-assisted photovoltaic cells for better conversion efficiencies: a review on recent research and development efforts. Materials Today Energy. 2020; 18: 100539.
Tan Q. et al. Nano-fabrication methods and novel applications of black silicon. Sensors and Actuators A: Physical. 2019; 295: 560–573.
Liu W. et al. CMOS MEMS infrared source based on black silicon. 2016 IEEE 11th Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). IEEE. 2016: 200–204.
Sarkar S. et al. Black silicon revisited as an ultrabroadband perfect infrared absorber over 20 μm wavelength range. Advanced Photonics Research. 2023; 4.(2):2200223.
АВТОРЫ
Д. В. Горелов. ORCID: 0000-0002-0887-9406
Н. М. Сомов. ORCID: 0009-0009-9093-3018
И. В. Потапенко. ORCID: 0009-0007-4500-1022
Д. В. Новиков. ORCID: 0000-0002-9518-1208
В. В. Амеличев. ORCID: 0000-0002-4204-2626
Д. В. Горелов 1, Н. М. Сомов 1, И. В. Потапенко 1, Д. В. Новиков 1, 2, В. В. Амеличев1
ФГБНУ НПК «Технологический центр», г. Зеленоград, Москва, Россия
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Зеленоград, Москва, Россия
Представлены результаты отработки технологии формирования модифицированных поглощающих поверхностей кремния, позволяющей улучшить спектральные характеристики приборов, создаваемых на его основе: устройств радиационного охлаждения, источников и датчиков ИК-излучения.
Ключевые слова: модификация поверхности кремния, плазмохимическое травление, оптическое поглощение, ИК-диапазон
Статья поступила: 18.09.2024
Статья принята: 04.10.2024
Поверхностно-модифицированный кремний представляет собой микроострийную структуру, одним из способов получения которой является глубокое анизотропное травление [1]. Благодаря такой морфологии поверхности достигается непрерывное изменение показателя преломления, что эффективно повышает поглощение оптического излучения [2]. Полученный поверхностно-модифицированный кремний с высотой микроострий h ≈ 10 мкм показал высокую поглощательную способность поверхности выше 90% в диапазоне длин волн от 2,5 до 23 мкм. Оптические свойства микроструктурированного кремния позволяют использовать его в фотовольтаике, при создании биосенсоров, светоизлучающих устройств, газочувствительных детекторов и антибактериальных покрытий [3–5].
Для получения поверхностно-модифицированного кремния использовался техпроцесс плазмохимического травления (ПХТ) кремния в плазме SF6 / C4F8 (Bosch-процесс) через маску из фоторезиста и SiO2 с размерами областей травления 10 × 10 мм2 и 15 × 15 мм2. Травление осуществлялось на установке Sentech SI 500. Параметры режима травления кремния по Bosch-процессу приведены в таблице.
В качестве пластин использовались стандартные подложки монокристаллического кремния марки КЭФ‑4,5 (100) с односторонней полировкой. Полученная морфология поверхности кремния, исследованная с использованием растровой электронной микроскопии (РЭМ), показана на рис. 1.
ПХТ кремния по Bosch-процессу имеет циклический характер и проходит в три этапа: этап ионного травления (зачистки) полимера на дне структуры, этап основной стадии травления и этап осаждения полимера. Для формирования поверхностно-модифицированного слоя кремния необходимо соблюдения баланса между этапами травления и осаждения полимера, таким образом, чтобы высадка полимера не препятствовала травлению, при этом образуя множество микроострий кремния. Соотношение травление / осаждение регулировалось длительностью этапов. Высота микроострий кремния регулировалась количеством циклов травления / осаждения.
Исследование оптических свойств поверхностно-модифицированного кремния осуществляюсь методом ИК-спектроскопии с преобразованием Фурье на спектрометре ФСМ 2201 / 2202 в диапазоне длин волн от 2,5 до 25 мкм. Сравнение спектров поглощения до и после ПХТ кремния по Bosch-процессу приведено на рис. 2.
Из полученных зависимостей видно, что поглощение поверхностно-модифицированного кремния составляет более 90% в диапазоне от 2,5 до 23 мкм. Проведенный режим травления кремния может быть использован для получения поверхностно-модифицированного кремния с повышенной поглощательной способностью в более широком спектральном диапазоне [6]. Формирование поглощающих поверхностей позволит улучшить спектральные характеристики устройств радиационного охлаждения, источников и датчиков ИК-излучения.
Благодарность
Статья подготовлена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения НИР FNRM‑2022-0009.
REFERENCES
Nguyen V. T. H. et al. On the formation of black silicon in SF6-O2 plasma: The clear, oxidize, remove, and etch (CORE) sequence and black silicon on demand. Journal of Vacuum Science & Technology A. 2020; 38(4).
Atteia F. et al. Morphologies and optical properties of black silicon by room temperature reactive ion etching. Materials Research Bulletin. 2020; 131: 110973.
Chai J. Y. H., Wong B. T., Juodkazis S. Black-silicon-assisted photovoltaic cells for better conversion efficiencies: a review on recent research and development efforts. Materials Today Energy. 2020; 18: 100539.
Tan Q. et al. Nano-fabrication methods and novel applications of black silicon. Sensors and Actuators A: Physical. 2019; 295: 560–573.
Liu W. et al. CMOS MEMS infrared source based on black silicon. 2016 IEEE 11th Annual International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). IEEE. 2016: 200–204.
Sarkar S. et al. Black silicon revisited as an ultrabroadband perfect infrared absorber over 20 μm wavelength range. Advanced Photonics Research. 2023; 4.(2):2200223.
АВТОРЫ
Д. В. Горелов. ORCID: 0000-0002-0887-9406
Н. М. Сомов. ORCID: 0009-0009-9093-3018
И. В. Потапенко. ORCID: 0009-0007-4500-1022
Д. В. Новиков. ORCID: 0000-0002-9518-1208
В. В. Амеличев. ORCID: 0000-0002-4204-2626
Отзывы читателей
