黑硅光電探測(cè)材料與器件研究進(jìn)展

訊石光通訊網(wǎng) 2022/6/20 9:00:33

  黑硅(black silicon)是一種具有表面微結(jié)構(gòu)的硅,因其獨(dú)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(yáng)能電池、光電探測(cè)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(cè)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?jiǎng)澐譃?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(cè)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(jí),從而擴(kuò)展黑硅器件的響應(yīng)范圍,可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)硅基探測(cè)器響應(yīng)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(cè)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(jí)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(cè)材料與器件研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。唐利斌正高級(jí)工程師主要從事光電材料與器件的研究工作。

  這項(xiàng)研究首先簡(jiǎn)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(cè)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(duì)黑硅光電探測(cè)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(cè)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(lái)制備黑硅的方法,最常見(jiàn)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(cè)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(cè)器的研究進(jìn)展,可以發(fā)現(xiàn)黑硅光電探測(cè)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(duì)黑硅光電探測(cè)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(yàn)證了黑硅CMOS工藝是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)微光探測(cè)的一條重要技術(shù)路線,并增進(jìn)了其在民用市場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用,進(jìn)而表明了黑硅光電探測(cè)器具有廣闊的應(yīng)用前景。

黑硅光電探測(cè)器應(yīng)用及效果圖:(a)和(b) CMOS成像效果;

(c) 探測(cè)器結(jié)構(gòu)陣列;(d) CMOS與CCD成像對(duì)比;(e)器件結(jié)構(gòu);

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

  未來(lái)黑硅光電探測(cè)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?fù)诫s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(cè)工藝技術(shù);(4)摻雜型硅基材料的波長(zhǎng)拓展技術(shù)。

  該項(xiàng)目獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFB2203404)和云南省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)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(cè)材料與器件的研究工作。

新聞來(lái)源:麥姆斯咨詢

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