黑硅光電探測材料與器件研究進展

  黑硅（black silicon）是一種具有表面微結(jié)構(gòu)的硅，因其獨特的表面結(jié)構(gòu)而有著較高的光吸收率。作為一種新型光電材料，黑硅在光伏太陽能電池、光電探測器、CMOS圖像傳感器等領(lǐng)域被廣泛研究，其中黑硅的光電探測技術(shù)備受關(guān)注，近些年來也取得了重要的研究進展。

  制備黑硅的方法主要劃分為4種：飛秒激光或納秒激光刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕、濕法腐蝕以及納米壓印。黑硅材料與硅基光電探測器具有很好的工藝兼容性。此外，黑硅材料可以通過過飽和摻雜引入雜質(zhì)能級，從而擴展黑硅器件的響應(yīng)范圍，可以很好地彌補傳統(tǒng)硅基探測器響應(yīng)范圍較窄和量子效率低的缺點。同時相較于鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、銦鎵砷（InGaAs）等材料，黑硅的制造成本較低，與讀出電路的工藝兼容性好，因此黑硅光電探測器具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?

  近期，昆明物理研究所唐利斌正高級工程師課題組在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“黑硅光電探測材料與器件研究進展”為主題的綜述文章。唐利斌正高級工程師主要從事光電材料與器件的研究工作。

  這項研究首先簡單介紹了黑硅材料的結(jié)構(gòu)，然后討論了基于飛秒激光刻蝕法、濕法腐蝕、反應(yīng)離子刻蝕法等方法制備的黑硅材料的性質(zhì)。其次概述了基于以上方法制備的不同黑硅光電探測器的結(jié)構(gòu)及性能，并討論了黑硅器件在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。最后對黑硅光電探測技術(shù)進行了分析與展望，探討了黑硅材料及器件未來的發(fā)展方向。

PIN型黑硅光電探測器

  飛秒激光法是指高能的飛秒激光聚焦到硅表面，使固態(tài)硅升華并與反應(yīng)腔內(nèi)的背景氣體結(jié)合產(chǎn)生揮發(fā)性的氣體，在不斷地重復(fù)后，得到了表面微結(jié)構(gòu)呈尖錐形的黑硅。飛秒激光法是目前使用最多的用來制備黑硅的方法，最常見的器件結(jié)構(gòu)有n+/n型、n+/p型和PIN型。

干法腐蝕制備的黑硅光電探測器結(jié)構(gòu)及性能圖

  濕法腐蝕主要分為酸法腐蝕、堿法腐蝕以及電化學(xué)腐蝕。反應(yīng)離子刻蝕法（reactive ion etching，RIE）是一種利用氣體放電產(chǎn)生的具有活性的氣體離子誘導(dǎo)材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的干法刻蝕技術(shù)。

  綜合飛秒激光法、反應(yīng)離子刻蝕以及濕法腐蝕制備的黑硅光電探測器的研究進展，可以發(fā)現(xiàn)黑硅光電探測器件在反向偏壓條件下才能獲得較高的響應(yīng)率，因此其應(yīng)用受到了一些限制。對黑硅光電探測器的一系列研究，表明了黑硅器件具有很大的發(fā)展?jié)摿?，而SiOnyx公司發(fā)布的Aurora系列產(chǎn)品驗證了黑硅CMOS工藝是當(dāng)前實現(xiàn)微光探測的一條重要技術(shù)路線，并增進了其在民用市場領(lǐng)域的應(yīng)用，進而表明了黑硅光電探測器具有廣闊的應(yīng)用前景。

黑硅光電探測器應(yīng)用及效果圖：(a)和(b) CMOS成像效果；

(c) 探測器結(jié)構(gòu)陣列；(d) CMOS與CCD成像對比；(e)器件結(jié)構(gòu)；

(f)柔性黑硅光電探測器；(g) CMOS成像效果；(h) CMOS成像效果

  未來黑硅光電探測技術(shù)的重要研究方向可以包括以下幾部分：（1）可控的硅基材料重摻雜技術(shù)（摻雜濃度≥1×1019/cm2）；（2）大面積硅基表面規(guī)則微納吸光結(jié)構(gòu)的可控制備技術(shù)；（3）硅基器件的焦平面探測工藝技術(shù)；（4）摻雜型硅基材料的波長拓展技術(shù)。

  該項目獲得國家重點研發(fā)計劃（2019YFB2203404）和云南省創(chuàng)新團隊項目（2018HC020）的支持。該研究第一作者為昆明物理研究所碩士研究生王博，主要從事黑硅光電探測材料與器件的研究工作。