[논문 리뷰] 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’yaschenko외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 05.

Nanowire Synthesis and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 진공 증착 및 마그네슘의 고체상 에pitaxial 성장 방식을 통해 만든 새로운 Mg₂Si/b-Si 이종구조인 '블랙 실리사이드'를 소개한다. 이로 인해 200–1800 nm 범위에서 평균 95% 이상의 흡수율을 달성하였으며, 블랙 실리콘의 스펙트럼 반응을 가까운 적외선(NIR) 영역으로 확장하면서도 빛 포획 기하구조를 유지하고 반사율을 5배 감소시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• 블랙 실리콘(b-Si)의 고유한 1100 nm 금접대역 한계를 초월해 근적외선(NIR) 영역으로 스펙트럼 블랙니스를 연장하기.
• Si 기반 광검출기 및 태양전지의 NIR 흡수를 향상시키기 위한 저비용, 대량생산 가능한 방법 개발.
• 0.75 eV의 좁은 금접대역을 가진 고흡수계수 반도체인 Mg₂Si가 b-Si 위에 에pitaxial 성장하여 계층적 이종구조를 형성할 수 있음을 입증하기.
• 200–1800 nm 범위에서 반사율 최소화 및 흡수 최대화를 위한 실리사이드화 조건(마그네슘 두께 및 소성 온도) 최적화하기.

제안 방법

• 기존에 제작된 블랙 실리콘(나노콘(200 nm 높이, 100 nm 간격))에 5N 순도의 마그네슘을 진공 증착하여 터보분자펌프를 갖춘 진공실에서 처리.
• 진공실 기저 압력은 1×10⁻⁶ 토르이며, 마그네슘 증착률을 측정하고 제어하기 위해 퀀츠 크리스탈 마이크로벌런스(QCM) 센서를 사용하며, 측정된 두께에 기반한 校정 수행.
• 증착 후 고체상 에pitaxial 성장(SPE) 소성을 통해 기저의 실리콘과 반응시켜 Mg₂Si를 형성하기 위해 제어된 온도(200–400 °C)에서 소성 처리.
• Mg 필름 두께(20–300 nm)와 소성 온도(200–400 °C)를 체계적으로 변화시켜 최적의 광학 성능 도출.
• 형상 및 상 조성을 확인하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM), X선 회절(XRD), 라만 스펙트럼 측정 수행.
• 200–1800 nm 범위에서 반사율 및 흡수율을 측정하고 모델링하여 스펙트럼 블랙니스와 광자 국소화 성능 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙 실리콘 위에 Mg₂Si가 형성되면 순수 실리콘의 1100 nm 한계를 초월해 근적외선(NIR) 영역의 흡수를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 200–1800 nm 범위에서 반사율 최소화 및 흡수 최대화를 위한 최적의 Mg 필름 두께와 소성 온도는 무엇인가?
• RQ3 계층적 Mg₂Si/b-Si 이종구조는 블랙 실리콘의 빛 포획 기하구조를 유지하면서도 스펙트럼 반응을 연장하는가?
• RQ4 Mg₂Si의 고유한 흡수 특성(금접대역 ~0.75 eV)은 순수 b-Si에 비해 전체 광학 성능에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 Mg₂Si 필름의 형태(예: 조각형 대비 연속막)가 반사율과 흡수율에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Mg₂Si/b-Si 이종구조는 200–1800 nm 범위에서 평균 반사율이 뿐이며, 이는 평균 95% 이상의 흡수율에 해당한다.
• 최적의 반사율 최소화(즉, 최대 흡수)는 약 50 nm의 Mg 필름 두께에서 달성되며, 반사율은 약 3.7%로 감소한다.
• 최적의 실리사이드화 조건은 약 330 °C에서 발생한다; 낮은 온도에서는 반응하지 않은 마그네슘 잔류, 높은 온도에서는 마그네슘 산화(산화마그네슘(MgO) 피크가 XRD에서 확인됨)로 인해 문제가 발생한다.
• 형성된 구조는 b-Si 나노콘에 Mg₂Si의 에pitaxial 셸(조각형)과 헥사고형 성장층을 포함하며, 원래의 빛 포획 기하구조를 유지한다.
• 광학 시뮬레이션을 통해 순수 b-Si에 비해 Mg₂Si/b-Si 구조에서 근적외선 영역의 광자 국소화가 향상되었음을 확인하였으며, 이는 NIR 반응에서의 우수성을 검증한다.
• 이 방법은 대량생산 가능하고 저온에서 수행되며, 기존 실리콘 공정과 호환되어 얇고 도안형 태양전지에의 통합이 가능하다.