采用三种刻蚀方法制备黑硅材料

本文采用飞秒激光蚀刻法、深反应离子蚀刻法和金属催化化学蚀刻法制备了黑硅，研究发现，在400~2200nm的波长内，光的吸收显著增强，其中飞秒激光用六氟化硫蚀刻的黑硅在近红外波段的吸收值最高。但这大大缩短了晶体硅的少数载流子寿命，通过沉积二氧化硅薄膜使黑硅表面钝化，可以有效地调节和控制。最后，以黑硅为基础制造了一种PIN光探测器，与无蚀刻工艺的PIN硅光探测器相比，在1060nm处获得了更高的责任，为0.57A/W。

任何能够减少反射和增强硅从紫外线到近红外波长的吸收的发展，都将有助于使硅基宽带探测器成为现实，纳米结构和微结构的c-Si（在晶圆表面有锥、线或孔）作为高效和低成本材料的可能结构受到越来越多的关注，因为它们表现出非常低的反射，特别是在可见区域。飞秒激光蚀刻(FLE)、深反应离子蚀刻(DRIE)和金属催化化学蚀刻(MCE)等方法可以制备这些结构，可以有效地提高c-Si的光吸收。

本文采用FLE、DRIE和MCE三种制备BS的方法，同时直接在c-Si基底上获得了几种抗反射/捕光结构，同时，对三种不同的BS材料的形貌、光吸收、少数载流子寿命进行了比较。最后，基于BS制造了一种PIN光电探测器，并将其责任与无蚀刻工艺的PIN硅光电探测器进行了比较。

图1为在六氟化硫和空气大气中被FLE蚀刻的BS的典型形态。从图中可以看出，在相同的激光参数下，两种大气中蚀刻的BS形态存在明显差异。在图1(a)中，一些锥较大，但其他锥较小，呈现扁平的毯状结构。事实上，在n2大气中蚀刻时，也可以得到相同的形态。在图1(b)中，每个锥的半径约为40μm，基底的截面积约为60μm2，锥锥的直径接近800nm。观察到，六氟化硫制备的BS表面有尖锐的尖锥，尖锥之间几乎没有差异，尖锥的方向与入射光一致。

图2为MCE蚀刻的BS的SEM图，其中分别用30s(a)和60s(b)镀银。(a)的孔直径明显大于(b)。我们认为，在我们的MCE过程中，随着电镀时间的增加，更多的区域附着在硅衬底上，导致更大的蚀刻面积。

 

综上所述，采用FLE、DIRE和MCE分别制备了黑硅(BS)材料，硅衬底表面的纳米锥阵列或孔的直径和长度分别为100~400nm和1.5~3μm。在400~2200nm的宽波长范围内，黑硅的光吸收显著增强，最大吸收率达到90%，这种增强可以解释为硅衬底表面上特定的纳米结构和/或微观结构所引起的反射率降低、捕光效应和散射效应。然而，由于上述BS结构引起的重组损失和接触电阻的增加，c-Si的少数载流子寿命缩短了。基于三种不同的蚀刻方法，我们发现SiNx钝化可以有效地调整少数载流子的寿命。研制了一种在前端形成BS的新型硅针光电探测器，并对器件的响应率进行了比较。结果表明，在前表面形成BS的Si-PIN光电探测器的响应率明显提高，特别是在近红外w条件下。

　　审核编辑：汤梓红