[論文レビュー] Mg$_2$Si is the new black: introducing a black silicide with $>$95% average absorption at 200-1800 nm wavelengths

A. V. Shevlyagin, Vladimir M. Il’yaschenko+5 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Nanowire Synthesis and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、真空蒸着およびマグネシウムの固体相エpiタクシーを用いて作成された、新規なMg₂Si/b-Siヘテロ構造「ブラックシリサイド」を紹介する。得られるナノ構造コーティングは、200–1800 nmの波長範囲で95%を超える平均吸収率を達成し、ブラックシリコンのスペクトル応答を近赤外（NIR）領域へ拡張するとともに、光捕捉幾何構造を維持し、反射率を5倍まで低減可能である。

ABSTRACT

Textured silicon surface structures, in particular black silicon (b-Si), open up possibilities for Si-based solar cells and photodetectors to be extremely thin and highly sensitive owing to perfect light-trapping and anti-reflection properties. However, near-infrared (NIR) performance of bare b-Si is limited by Si band gap of 1.12 eV or 1100 nm. This work reports a simple method to increase NIR absorption of b-Si by $in$ $vacuo$ silicidation with magnesium. Obtained Mg$_2$Si/b-Si heterostructure has a complex geometry where b-Si nanocones are covered by Mg$_2$Si shells and crowned with flake-like Mg$_2$Si hexagons. Mg$_2$Si formation atop b-Si resulted in 5-fold lower reflectivity and optical absorption to be no lower than 88\% over 200-1800 nm spectral range. More importantly, Mg$_2$Si/b-Si heterostructure is more adjusted to match AM-1.5 solar spectrum with theoretically higher photogenerated current density. The maximal advantage is demonstrated in the NIR region compared to bare b-Si in full accordance with one's expectations about NIR sensitive narrow band gap ($\sim$0.75 eV) semiconductor with high absorption coefficient, which is Mg$_2$Si. Results of optical simulation confirmed the superiority of Mg$_2$Si/b-Si NIR performance. Therefore, this new wide-band optical absorber called black silicide proved rather competitive alongside state-of-the-art approaches to extend b-Si spectral blackness.

研究の動機と目的

• ブラックシリコン（b-Si）の固有の1100 nm帯域ギャップ制限を超えて、近赤外（NIR）領域へのスペクトルブラックネスを拡張すること。
• Siベースのフォトディテクターや太陽電池におけるNIR吸収を強化するための低コストでスケーラブルな手法を開発すること。
• 0.75 eVという小さなバンドギャップを有する半導体Mg₂Siは、高い吸収係数を示し、b-Si上にエピタキシャルに成長させることで階層的ヘテロ構造を形成できることを実証すること。
• 200–1800 nm範囲における反射率低減と吸収の最大化を目的とした、シリサイド化条件（Mg膜厚さおよびアニール温度）の最適化を行うこと。

提案手法

• ベース圧力1×10⁻⁶ Torrのターボ分子ポンプを備えた真空チャンバを用い、5N純度のマグネシウムを事前に作製されたブラックシリコン（ナノコーン：高さ200 nm、周期100 nm）に真空蒸着する。
• 膜厚測定のためのクォーツシンクロンメーター（QCM）センサーを用いて、膜厚のモニタリングと制御を行い、測定された厚さに基づくキャリブレーションを実施する。
• 蒸着後の固体相エピタクシー（SPE）アニールを、制御された温度（200–400 °C）で実施し、下部のSiと反応させてMg₂Siを形成する。
• 反射率および吸収特性の最適化を目的として、Mg膜厚さ（20–300 nm）およびアニール温度（200–400 °C）を系統的に変化させる。
• 相組成および表面形態を確認するため、走査型電子顕微鏡（SEM）、X線回折（XRD）、ラマン分光法による評価を実施する。
• 200–1800 nm範囲における反射率および吸収率の測定とモデリングにより、スペクトルブラックネスおよび光子局在化の評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックシリコン上にMg₂Siを形成させることで、純粋なSiの1100 nm制限を超えて近赤外（NIR）領域の吸収が顕著に向上するか？
• RQ2 200–1800 nm範囲におけるアンチリフレクション効果と吸収の最大化を実現するための最適なMg膜厚さおよびアニール温度は何か？
• RQ3 階層的Mg₂Si/b-Siヘテロ構造は、ブラックシリコンの光捕捉幾何構造を維持しつつ、そのスペクトル応答を拡張できるか？
• RQ4 Mg₂Siの固有の吸収（バンドギャップ～0.75 eV）は、バーミルb-Siと比較して全体的な光学的性能にどのように寄与するか？
• RQ5 Mg₂Si膜の形態（例：フラクタル状 vs. 連続膜）は、反射率および吸収率にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• Mg₂Si/b-Siヘテロ構造は、200–1800 nm範囲で平均反射率3.7%を達成し、これに伴い平均吸収率が95%を超える。
• Mg膜厚さが約50 nmのとき、反射率にグローバルミニマム（＝最大吸収）が観察され、反射率は約3.7%に低下する。
• 最適なシリサイド化は約330 °Cで発生する。それ未満の温度では未反応のMgが残り、それ以上の温度ではMg酸化（XRDでMgOピークとして確認）が進行する。
• 得られた構造は、b-Siナノコーン上にMg₂Siのエピタキシャルフラクタル状シェルと六角形成長部を有しており、元の光捕捉幾何構造を保持している。
• 光学的シミュレーションにより、バーミルb-Siと比較して、Mg₂Si/b-Si構造におけるNIR光子局在化が強化されていることが確認され、NIR応答における優位性が裏付けられた。
• 本手法はスケーラブルであり、低温で実施可能であり、既存のSiプロセスと相性が良いことから、薄型・フレキシブルな太陽電池への統合が可能である。