黑硅光電探測材料與器件研究進(jìn)展

  黑硅（black silicon）是一種具有表面微結構的硅，因其獨特的表面結構而有著(zhù)較高的光吸收率。作為一種新型光電材料，黑硅在光伏太陽(yáng)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(lái)也取得了重要的研究進(jìn)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(guò)過(guò)飽和摻雜引入雜質(zhì)能級，從而擴展黑硅器件的響應范圍，可以很好地彌補傳統硅基探測器響應范圍較窄和量子效率低的缺點(diǎn)。同時(shí)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)展潛力。

  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(jìn)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(jiǎn)單介紹了黑硅材料的結構，然后討論了基于飛秒激光刻蝕法、濕法腐蝕、反應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構及性能，并討論了黑硅器件在不同領(lǐng)域的應用。最后對黑硅光電探測技術(shù)進(jìn)行了分析與展望，探討了黑硅材料及器件未來(lái)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)硅升華并與反應腔內的背景氣體結合產(chǎn)生揮發(fā)性的氣體，在不斷地重復后，得到了表面微結構呈尖錐形的黑硅。飛秒激光法是目前使用最多的用來(lái)制備黑硅的方法，最常見(jiàn)的器件結構有n+/n型、n+/p型和PIN型。

干法腐蝕制備的黑硅光電探測器結構及性能圖

  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材料表面發(fā)生化學(xué)反應的干法刻蝕技術(shù)。

  綜合飛秒激光法、反應離子刻蝕以及濕法腐蝕制備的黑硅光電探測器的研究進(jìn)展，可以發(fā)現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率，因此其應用受到了一些限制。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)展潛力，而SiOnyx公司發(fā)布的Aurora系列產(chǎn)品驗證了黑硅CMOS工藝是當前實(shí)現微光探測的一條重要技術(shù)路線(xiàn)，并增進(jìn)了其在民用市場(chǎng)領(lǐng)域的應用，進(jìn)而表明了黑硅光電探測器具有廣闊的應用前景。

黑硅光電探測器應用及效果圖：(a)和(b) CMOS成像效果；

(c) 探測器結構陣列；(d) CMOS與CCD成像對比；(e)器件結構；

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

  未來(lái)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）大面積硅基表面規則微納吸光結構的可控制備技術(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(cháng)拓展技術(shù)。

  該項目獲得國家重點(diǎn)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。