采用三種刻蝕方法制備黑硅材料

本文采用飛秒激光蝕刻法、深反應(yīng)離子蝕刻法和金屬催化化學(xué)蝕刻法制備了黑硅，研究發(fā)現(xiàn)，在400~2200nm的波長內(nèi)，光的吸收顯著增強(qiáng)，其中飛秒激光用六氟化硫蝕刻的黑硅在近紅外波段的吸收值最高。但這大大縮短了晶體硅的少數(shù)載流子壽命，通過沉積二氧化硅薄膜使黑硅表面鈍化，可以有效地調(diào)節(jié)和控制。最后，以黑硅為基礎(chǔ)制造了一種PIN光探測器，與無蝕刻工藝的PIN硅光探測器相比，在1060nm處獲得了更高的責(zé)任，為0.57A/W。

任何能夠減少反射和增強(qiáng)硅從紫外線到近紅外波長的吸收的發(fā)展，都將有助于使硅基寬帶探測器成為現(xiàn)實(shí)，納米結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)的c-Si（在晶圓表面有錐、線或孔）作為高效和低成本材料的可能結(jié)構(gòu)受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出非常低的反射，特別是在可見區(qū)域。飛秒激光蝕刻(FLE)、深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)和金屬催化化學(xué)蝕刻(MCE)等方法可以制備這些結(jié)構(gòu)，可以有效地提高c-Si的光吸收。

本文采用FLE、DRIE和MCE三種制備BS的方法，同時(shí)直接在c-Si基底上獲得了幾種抗反射/捕光結(jié)構(gòu)，同時(shí)，對三種不同的BS材料的形貌、光吸收、少數(shù)載流子壽命進(jìn)行了比較。最后，基于BS制造了一種PIN光電探測器，并將其責(zé)任與無蝕刻工藝的PIN硅光電探測器進(jìn)行了比較。

圖1為在六氟化硫和空氣大氣中被FLE蝕刻的BS的典型形態(tài)。從圖中可以看出，在相同的激光參數(shù)下，兩種大氣中蝕刻的BS形態(tài)存在明顯差異。在圖1(a)中，一些錐較大，但其他錐較小，呈現(xiàn)扁平的毯狀結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在n2大氣中蝕刻時(shí)，也可以得到相同的形態(tài)。在圖1(b)中，每個(gè)錐的半徑約為40μm，基底的截面積約為60μm2，錐錐的直徑接近800nm。觀察到，六氟化硫制備的BS表面有尖銳的尖錐，尖錐之間幾乎沒有差異，尖錐的方向與入射光一致。

圖2為MCE蝕刻的BS的SEM圖，其中分別用30s(a)和60s(b)鍍銀。(a)的孔直徑明顯大于(b)。我們認(rèn)為，在我們的MCE過程中，隨著電鍍時(shí)間的增加，更多的區(qū)域附著在硅襯底上，導(dǎo)致更大的蝕刻面積。

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綜上所述，采用FLE、DIRE和MCE分別制備了黑硅(BS)材料，硅襯底表面的納米錐陣列或孔的直徑和長度分別為100~400nm和1.5~3μm。在400~2200nm的寬波長范圍內(nèi)，黑硅的光吸收顯著增強(qiáng)，最大吸收率達(dá)到90%，這種增強(qiáng)可以解釋為硅襯底表面上特定的納米結(jié)構(gòu)和/或微觀結(jié)構(gòu)所引起的反射率降低、捕光效應(yīng)和散射效應(yīng)。然而，由于上述BS結(jié)構(gòu)引起的重組損失和接觸電阻的增加，c-Si的少數(shù)載流子壽命縮短了?；谌N不同的蝕刻方法，我們發(fā)現(xiàn)SiNx鈍化可以有效地調(diào)整少數(shù)載流子的壽命。研制了一種在前端形成BS的新型硅針光電探測器，并對器件的響應(yīng)率進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，在前表面形成BS的Si-PIN光電探測器的響應(yīng)率明顯提高，特別是在近紅外w條件下。

　　審核編輯：湯梓紅