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▌NIR2500 在黑硅光电探测器研究中的应用
对金属辅助化学刻蚀形成的纳米结构黑硅光电探测器进行可见近红外宽谱表征
MCE
黑硅
光电探测器
吸收光谱
近红外光谱
【概述】2016 年 7 月，一篇发表于 Nanoscale Research Letters，题为《The Enhanced Light Absorptance and Device Application of Nanostructured Black Silicon Fabricated by Metal-assisted Chemical Etching》的文章报道了一种金属辅助化学刻蚀（Metal-assisted Chemical Etching，MCE）方法形成的纳米结构黑硅探测器。
图1，基于黑硅的 Si-PIN 探测器的真实图片及结构图
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黑硅对光的高吸收性质是人们对 硅基红外探测器 研究的基础。作者利用 MCE 的方法来制备黑硅，然后利用黑硅制造 Si-PIN 光电探测器（图1），并研究其性能。这种光电探测器展现了比较高了响应（0.57A/W@1064nm, 0.37A/W@1100nm）及较强的宽谱段吸收能力（400~2500nm, 95%）。证实了由 MCE 制造的纳米结构黑硅在近红外光电探测器上具有潜在的应用前景。
【样品 & 测试】文章中，作者使用 SEM 观察了样品在不同刻蚀时间下的形貌，图2a 为利用 MCE 方法刻蚀 15min（左图）及 60min （右图）时的黑硅纳米阵列的 SEM 图。刻蚀后，硅衬底上会覆盖垂直的纳米锥状阵列。通过不同的沉积和刻蚀时间可以很好的控制硅纳米阵列的形态。刻蚀 60min 时，纳米锥状结构显示了比较理想的长宽比，直径和长度约为 100nm 和 2.5μm。
图2，不同刻蚀时间下的黑硅纳米阵列的 SEM 图、反射率光谱图、吸收光谱图
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文中样品的光学特性是通过复享光学的 反射/吸收光谱测量系统 测得（图3）。由于样品表面高低不平的硅纳米阵列，其对于光的反射明显受到抑制（图2b），纳米结构的 C-Si 的反射率明显低于普通的 C-Si 的反射率，且刻蚀时间越长，反射率越低。此外，与普通的 C-Si 相比，纳米结构的 C-Si 显著增强了 400~2500nm 波长范围内的光吸收，尤其在近红外波段（图2c）。刻蚀 60min 的样品具有最高的吸收率，在 NIR 波段（800~2500nm）最高可达 95%，平均吸收率（400~2500nm）达到 91%。这种在 400~2500nm 波长范围内的高吸收率主要来自于硅纳米锥阵列中光的多重反射，增加了光的路径和光子的捕获率。
图3，文献对复享反射/吸收光谱测量系统相关产品的标注
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对于探测器的响应特性，则是使用电学手段测量获得的。将基于黑硅制造的 Si-PIN 光电探测器与其他两个探测器进行比较（滨松的 S1336-44BK 和文献报道的同等探测器）。结果表明，基于上述方法制造的 Si-PIN 光电探测器显著提高响应率，且响应峰值约有 80nm 的红移，在近红外波段，响应达到了 0.57A/W@1064nm、0.37A/W@1100nm。
【总结】文章报道了一种基于金属辅助化学刻蚀方法的纳米结构黑硅光电探测器的制备方案，并对其性能进行验证。实验证实，这种方案制造的黑硅光电探测器展示了优良的设备性能，响应率可达 0.57A/W@1064nm 及 0.37A/W@1100nm，最大光学吸收可达 95%（800~2500nm），平均光学吸收可达 91%（400~2500nm）。上述方案是对光学工程中硅材料性能的基础研究，为实现硅材料的高吸收和宽谱段响应、黑硅光电探测器及其他新型器件提供了一个可行的策略。▌
【参考文献】
✽ Zhong, Hao, et al. "The Enhanced Light Absorptance and Device Application of Nanostructured Black Silicon Fabricated by Metal-assisted Chemical Etching." Nanoscale Research Letters 11.1(2016):322. Link
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