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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，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，因為它們表現(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，同時直接在c-Si基底上獲得了幾種抗反射/捕光結(jié)構(gòu)，同時，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)。事實上，在n2大氣中蝕刻時，也可以得到相同的形態(tài)。在圖1(b)中，每個錐的半徑約為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。
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圖1
圖1（c、d）顯示了DRIE蝕刻的BS。從圖1(c、d)可以看出，有兩種循環(huán)為6μm或10μm，但有一種直徑與4μm相同?？梢岳斫?，DRIE蝕刻的BS為圓柱體或圓形桌子形狀，直徑與光刻步驟中掩模板的尺寸有關(guān)，而高度取決于蝕刻過程中的重復(fù)次數(shù)，100次后約為3.15μm或70次后為2.35μm。
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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圖2
在本實驗中，BS材料具有良好的光學(xué)性能和較高的光譜吸收率，這可以歸因于以下因素。首先，納米結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)對表面入射光產(chǎn)生多重反射，形成捕獲效果。然而，無論BS表面的結(jié)構(gòu)是什么，BS在近紅外中的吸收都沒有明顯的改善，如DIRE穿光的黑硅如圖4所示。我們觀察到，F(xiàn)LE在六氟化硫大氣中蝕刻的BS在大于1100nm的波長內(nèi)仍能保持在90%以上的高吸收，這意味著需要其他解釋。
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圖4
圖4給出了一個PIN光電探測器(a)的骨架和兩個硅光電探測器(b)。對于用六氟化硫FLE蝕刻表面的光電探測器，峰值響應(yīng)率達(dá)到1000nm，1060nm的響應(yīng)率可保持高達(dá)0.57A/W。而對于表面不再蝕刻的光電探測器，峰值響應(yīng)率達(dá)到950nm，而1060nm的響應(yīng)率僅為0.26A/W。結(jié)果表明，有BS的Si-PIN光探測器在近紅外波段的響應(yīng)率高于無BS的Si-PIN光探測器。
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