在这项研究中，在碳化硅上成功形成了具有减反射特性的纳米级蜂窝状结构，传统光刻工艺后的 4H-SiC 晶圆表面采用电感耦合等离子体进行蚀刻，我们证明，与参考器件相比，所制造的光电二极管的反射特性显著降低了 55%，结果，4H-SiC 光电二极管的光学响应I 赵明/ I 暗度提高了 178%，这主要归功于所提出的纳米级纹理中光捕获的改进。
迄今为止，硅（Si）一直是高效太阳能电池的主导材料，硅基器件只有在相对较低的温度和功率范围的有限条件下才能表现良好，另外，在宽带隙半导体的研究中，碳化硅（SiC）在高功率和光电器件方面显示出巨大的潜力。
SiC具有宽禁带（3.26 eV）和优异的热性能，有利于高温应用和太阳能转换，然而，抛光的碳化硅表面具有天然的反射率，并且具有很强的光谱依赖性，由于SiC 的n = 2.7-3.5 的高折射率，反射率不可避免地很高 (20-40%)，与入射辐射反射率相关的光学损耗是限制太阳能电池效率的最重要因素之一。
因此，光伏电池通常需要特殊的表面结构或材料，以降低反射率，常见的解决方案是利用基于干涉的减反射涂层，例如 SiO 2和 Al 2 O 3透明层，然而，此类涂层仅在有限的光谱范围内起作用，并且通过表面纹理化可以在宽光谱范围内更有效地减少反射，这通常可以通过湿法或干法蚀刻来实现。
原则上，SiC的湿法刻蚀只能用500℃以上的熔融KOH进行，这不是一种实用的方法，因此，使用SF 6和CF 4等氟物质进行干法蚀刻被认为是形成SiC纹理表面的理想方法，我们报告了一种在 4H-SiC 表面形成纳米级纹理结构以降低 SiC 表面反射率的方法，采用电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻来形成结构，并将 SiC 光电二极管电池的性能与没有表面纳米级纹理的参考电池的性能进行比较。
4H-SiC材料以其优异的光电性能和高温稳定性备受关注，4H-SiC在光电二极管中的应用和其对器件特性的影响。
充分利用4H-SiC材料的特性和对其器件特性的深入研究，我们将能够进一步拓展光电二极管的性能，推动光电器件的发展和应用。
图中显示了在 4H-SiC 晶圆上制备的三种不同表面类型的样品，为了在4H-SiC表面形成纳米级纹理蜂窝结构，我们首先制作SiC表面的纳米结构图案，首先将样品在 H 2 SO 4 :H 2 O 2 = 4:1 中清洗，然后用 BOE 浸洗以去除天然氧化物。
纳米蜂窝蚀刻工艺
为了制备干法蚀刻掩模，通过传统的光刻工艺溅射并图案化100nm的Ni层，使用SF 6等离子体(15% O 2总气体负载为 14 sccm），ICP 放电功率为 550 W，RF 卡盘功率可产生 117 V 的直流自偏压，腔室压力为 50 mTorr，样品放置在由 He 冷却的卡盘上，通过Ni蚀刻剂(HF:H 2 O 2 :H 2 O=1:1:8)从SiC表面去除剩余的Ni。
蜂窝结构的宽度和间距均为 3 μm，高度为 100 nm，该方法用于形成SiC表面的蜂窝结构，下文称为微蜂窝结构，SiO 2基材将/4H-SiC在O 2中于1150℃氧化5h，然后通过电子束蒸发沉积Si层，作为蚀刻的掩模层，SiO 2和Si层的厚度分别为100nm和1μm。使用 SF 6等离子体（17% O 2，总气体负载为 24 sccm）进行纳米级纹理化，ICP 放电功率和腔室压力分别为 550 W 和 30 mTorr，RF 卡盘功率从 49 V 开始产生直流自偏置，蜂窝结构上的纳米级纹理是通过 ICP 蚀刻制成的。
蚀刻液是实现纳米蜂窝蚀刻的关键，蚀刻液是由一种或多种化学物质组成的混合溶液，可以使材料表面发生特定的化学反应。
纳米蜂窝蚀刻工艺可以实现对材料表面形貌的精确控制，从纳米级别到微米级别皆可调控，这种高度可控性使得纳米蜂窝蚀刻在纳米材料制备和纳米器件加工中具有重要应用价值。
纳米蜂窝蚀刻可以制备具有特定光学性质的表面结构，透镜、光纤，这些光学器件常用于光通信、医学成像领域，能够实现高分辨率、高灵敏度的光学探测。
纳米蜂窝蚀刻工艺作为一种创新的材料加工技术，具有精确控制、高效性和多样化特点，广泛应用于光学器件、能源材料、生物医学领域。
SiC表面的纳米级纹理结构，称为纳米蜂窝结构，利用当覆盖的Si通过ICP蚀刻变成所谓的黑Si时自然粗糙的SiC表面形貌，黑色Si层完全消耗后，形貌转移到下面的SiC上形成粗糙的SiC表面。
纳米蜂窝结构的表面形貌的扫描电子显微镜(SEM)图像，对具有不同表面结构的 SiC 上的三种不同类型的样品进行了检查： 微米蜂窝结构和纳米蜂窝结构，使用 UV-Vis/NIR 光谱仪 (AvaSpec-3648) 和 AFM (N8 ARGOS) 分析研究反射光谱依赖性。
相应反射光谱以及参考电池的反射光谱 ，在 300 至 1000 nm 波长范围内，微蜂窝结构的反射率与参考电池相比减少了 30%。在对微蜂窝结构进行无掩模 ICP 蚀刻以进行额外的纳米级粗糙化之后，反射率相对于参考单元降低了 55%。纳米蜂窝结构的光学测量表明吸收的光量显着增加，该结构的反射率降低归因于由于在表面上形成的结构而导致的表面粗糙度增加，为原子力显微镜（AFM）在接触模式下观察到的表面形貌，扫描面积为12 × 12 μm 2，表面粗糙度的均方根 (RMS) 由 AFM 图像计算得出，
射率与表面粗糙度之间的关系
其中p表示入射光子被吸收（概率因子为a ）或反射（概率因子为r = 1 - a ）的概率，具体取决于粗糙表面上的位置，随着表面粗糙度的增加，反射率降低，因为更多的光子被吸收。类似地，随着纳米蜂窝结构的 RMS 值增加，由于纹理表面对光捕获的影响，反射光谱依赖性降低，从不同纹理结构的4H-SiC的反射率值可以看出，纳米蜂窝结构的抗反射性能明显提高。
肖特基型紫外光电二极管是在n型 4H-SiC 晶圆上制造的，在n +衬底（ND = 10 18 cm -3）上生长有12 μm 厚的n -外延层（ ND = 4.25 × 10 15 cm -3 ） [ 13 ]。通过溅射 100 nm Ni 薄膜在背面形成大面积欧姆接触，然后在 N 2 中进行 950°C 的快速热退火工艺 90 秒。
正面的肖特基接触是通过电子束蒸发50 nm的Ni膜来制作的，随后进行光刻图案化，形成宽度为550 μm、开口区域宽度为250 μm的矩形环图案，显示了制造的 4H-SiC 肖特基光电二极管结构。直接暴露于辐射的开放面积估计约占设备总面积的 21%。使用 Keithley 4200 测量单元测量器件的电流-电压特性。
射率是光线在物质中传播时的速度与真空中的光速之比，它是描述材料对光的相对阻抗的量度。不同材料的射率不同，它决定了光线在材料中传播的速度和方向。
当光线从一个介质进入另一个介质时，其传播方向会发生变化，即发生反射和折射表面粗糙度会增加反射和折射的强度和方向的随机性，导致光的散射损失增加，在两个介质的交界面上，会发生反射现象，表面粗糙度会增加界面的表面积，增加反射的机会，降低光的透射率。
射率和表面粗糙度之间的关系对于光学特性具有重要意义，了解和控制这两个参数可以改善光学器件的性能，提高光的利用效率。
优化反射和抗反射涂层可以提高光的利用率，减少光的反射和提高光的透过率，使更多的光能进入电池材料，并增加光的吸收量。
光伏电池作为一种重要的可再生能源技术，正逐渐取代传统能源源头，4H-SiC材料因其优异的光电性能和高温稳定性而备受关注，在4H-SiC上设计高效光伏电池，进一步推动可再生能源的发展。
肖特基光电二极管的饱和电流作为反向偏压的函数进行测量，无论是在黑暗条件I dark下还是在 300 nm 的紫外线照射下，图中比较了从微型蜂窝结构和纳米蜂窝结构测量的光电二极管的光学响应。
与参考电池相比，微型蜂窝结构的光电流略有增加，而纳米蜂窝结构的光学响应显着增加，表总结了不同结构的光电二极管特性的比较，对于参考电池，测得的I 暗和I 照度分别为 1.37 × 10 -11和 5.55 × 10 -8 A，这导致在 20 V 反向偏压下的响应为 75.4 A/W，纳米蜂窝结构在-20 V 下获得了 259.5 A/W 的响应值，光学响应提高了 178%。
微米蜂窝结构和纳米蜂窝结构在-20 V下的光学响应值分别增加了37%和178%。光电流增益的增加是因为纳米蜂窝结构的表面反射率降低并且吸收的光量增加，结果表明，我们可以通过纳米蜂窝纹理结构的抗反射效应来增强光电二极管的电光响应。
4H-SiC表面的总结
我们提出了一种在 4H-SiC 表面制造纳米级纹理结构以减少反射的方法，经过传统的光刻工艺形成纳米蜂窝结构后，使用SF 6 + O 2气体混合物通过ICP蚀刻4H-SiC晶片的表面与参考电池相比，纳米蜂窝结构的反射率显着降低了 55%。
优化载流子的迁移路径和减少表面缺陷可以提高电池的效率，通过优化电池结构和控制材料的质量，可以降低载流子的复合速率，提高电池的填充因子和开路电压。
由于表面粗糙度增加，反射率降低，纳米蜂窝结构的光学响应（ I 照明/ I 暗）增加了 178%，并且从随后制造的 4H-SiC 光电二极管中获得了改进的光电流。
在光伏电池中，界面起着重要的作用，通过表面掺杂、界面衬底和界面修饰等技术手段，可以改善界面的能带结构和电荷传输特性，提高电池的转换效率。
纹理表面导致反射率降低，这表明由于有效的光捕获，吸收的光量增加了，事实证明，纳米蜂窝结构已被证明是有效的抗反射表面结构，这可能为在 4H-SiC 上设计高效光伏电池提供机会。
4H-SiC材料在高效光伏电池设计方面具有巨大的潜力，其优异的光电性能和高温稳定性使其成为推动可再生能源技术发展的关键材料，通过优化光吸收、载流子传输、界面工程和光的反射与抗反射涂层等关键要素，我们可以进一步提高4H-SiC上光伏电池的效率和可靠性，实现高效能源的可持续利用。
