▌NIR2500 在黑硅光電探測(cè)器研究中的應(yīng)用對(duì)金屬輔助化學(xué)刻蝕形成的納米結(jié)構(gòu)黑硅光電探測(cè)器進(jìn)行可見近紅外寬譜表征
MCE 黑硅 光電探測(cè)器 吸收光譜 近紅外光譜
【概述】2016 年 7 月，一篇發(fā)表于 Nanoscale Research Letters，題為《The Enhanced Light Absorptance and Device Application of Nanostructured Black Silicon Fabricated by Metal-assisted Chemical Etching》的文章報(bào)道了一種金屬輔助化學(xué)刻蝕（Metal-assisted Chemical Etching，MCE）方法形成的納米結(jié)構(gòu)黑硅探測(cè)器。
圖1，基于黑硅的 Si-PIN 探測(cè)器的真實(shí)圖片及結(jié)構(gòu)圖
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黑硅對(duì)光的高吸收性質(zhì)是人們對(duì) 硅基紅外探測(cè)器 研究的基礎(chǔ)。作者利用 MCE 的方法來制備黑硅，然后利用黑硅制造 Si-PIN 光電探測(cè)器（圖1），并研究其性能。這種光電探測(cè)器展現(xiàn)了比較高了響應(yīng)（0.57A/W@1064nm, 0.37A/W@1100nm）及較強(qiáng)的寬譜段吸收能力（400~2500nm, 95%）。證實(shí)了由 MCE 制造的納米結(jié)構(gòu)黑硅在近紅外光電探測(cè)器上具有潛在的應(yīng)用前景。
【樣品 & 測(cè)試】文章中，作者使用 SEM 觀察了樣品在不同刻蝕時(shí)間下的形貌，圖2a 為利用 MCE 方法刻蝕 15min（左圖）及 60min （右圖）時(shí)的黑硅納米陣列的 SEM 圖。刻蝕后，硅襯底上會(huì)覆蓋垂直的納米錐狀陣列。通過不同的沉積和刻蝕時(shí)間可以很好的控制硅納米陣列的形態(tài)。刻蝕 60min 時(shí)，納米錐狀結(jié)構(gòu)顯示了比較理想的長(zhǎng)寬比，直徑和長(zhǎng)度約為 100nm 和 2.5μm。
圖2，不同刻蝕時(shí)間下的黑硅納米陣列的 SEM 圖、反射率光譜圖、吸收光譜圖
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文中樣品的光學(xué)特性是通過復(fù)享光學(xué)的 反射/吸收光譜測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)得（圖3）。由于樣品表面高低不平的硅納米陣列，其對(duì)于光的反射明顯受到抑制（圖2b），納米結(jié)構(gòu)的 C-Si 的反射率明顯低于普通的 C-Si 的反射率，且刻蝕時(shí)間越長(zhǎng)，反射率越低。此外，與普通的 C-Si 相比，納米結(jié)構(gòu)的 C-Si 顯著增強(qiáng)了 400~2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光吸收，尤其在近紅外波段（圖2c）。刻蝕 60min 的樣品具有*高的吸收率，在 NIR 波段（800~2500nm）*高可達(dá) 95%，平均吸收率（400~2500nm）達(dá)到 91%。這種在 400~2500nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的高吸收率主要來自于硅納米錐陣列中光的多重反射，增加了光的路徑和光子的捕獲率。
圖3，文獻(xiàn)對(duì)復(fù)享反射/吸收光譜測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)注
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對(duì)于探測(cè)器的響應(yīng)特性，則是使用電學(xué)手段測(cè)量獲得的。將基于黑硅制造的 Si-PIN 光電探測(cè)器與其他兩個(gè)探測(cè)器進(jìn)行比較（濱松的 S1336-44BK 和文獻(xiàn)報(bào)道的同等探測(cè)器）。結(jié)果表明，基于上述方法制造的 Si-PIN 光電探測(cè)器顯著提高響應(yīng)率，且響應(yīng)峰值約有 80nm 的紅移，在近紅外波段，響應(yīng)達(dá)到了 0.57A/W@1064nm、0.37A/W@1100nm。
【總結(jié)】文章報(bào)道了一種基于金屬輔助化學(xué)刻蝕方法的納米結(jié)構(gòu)黑硅光電探測(cè)器的制備方案，并對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種方案制造的黑硅光電探測(cè)器展示了優(yōu)良的設(shè)備性能，響應(yīng)率可達(dá) 0.57A/W@1064nm 及 0.37A/W@1100nm，*大光學(xué)吸收可達(dá) 95%（800~2500nm），平均光學(xué)吸收可達(dá) 91%（400~2500nm）。上述方案是對(duì)光學(xué)工程中硅材料性能的基礎(chǔ)研究，為實(shí)現(xiàn)硅材料的高吸收和寬譜段響應(yīng)、黑硅光電探測(cè)器及其他新型器件提供了一個(gè)可行的策略。▌
【參考文獻(xiàn)】
? 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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