黑硅光電探測材料與器件研究進(jìn)展

王 博，唐利斌，張玉平，鄧功榮，左文彬，趙 鵬

〈綜述與評論〉

黑硅光電探測材料與器件研究進(jìn)展

王 博1,2,3，唐利斌1,3，張玉平1,3，鄧功榮1，左文彬1,3，趙 鵬1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 云南大學(xué) 材料與能源學(xué)院，云南 昆明 650500；3. 云南省先進(jìn)光電材料與器件重點實驗室，云南 昆明 650223）

黑硅作為一種新型光電材料，在光伏太陽能電池、光電探測器、CMOS圖像傳感器等領(lǐng)域被廣泛研究，其中黑硅的光電探測技術(shù)備受關(guān)注，近些年來也取得了重要的研究進(jìn)展。本文首先簡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。最后對黑硅光電探測技術(shù)進(jìn)行了分析與展望，探討了黑硅材料及器件未來的發(fā)展方向。

黑硅；光電探測器；研究進(jìn)展

0 引言

黑硅（black silicon）是一種具有表面微結(jié)構(gòu)的硅，因其獨特的表面結(jié)構(gòu)而有著較高的光吸收率。21世紀(jì)以來，黑硅被廣泛地應(yīng)用于太陽能電池和光電探測器的研究中，其中黑硅光電探測器的性能在近些年來獲得了很大地提升，全球各地有多家高校和機(jī)構(gòu)為黑硅光電探測器的研究做出了重要貢獻(xiàn)。目前，美國SiOnyx公司研發(fā)的基于黑硅CMOS（complementary metal oxide semiconductor）的相機(jī)產(chǎn)品Sionyx Aurora已經(jīng)可以實現(xiàn)在暗光條件下進(jìn)行細(xì)節(jié)拍攝，這充分說明了基于黑硅的探測器具有巨大的應(yīng)用價值。然而，基于黑硅的產(chǎn)品還較少，仍需要投入大量的研究以推動黑硅走向更廣闊的市場。黑硅最早可追溯到20世紀(jì)80年代，但在當(dāng)時普遍被認(rèn)為是一種材料缺陷，1998年哈佛大學(xué)Mazur教授團(tuán)隊[1]用飛秒激光制備了黑硅，并發(fā)現(xiàn)其在可見-近紅外波段有很高的吸收率，黑硅才正式作為一種高性能材料登上了世界舞臺。到目前為止，制備黑硅的方法主要劃分為4種[2]：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[3-4]。

黑硅與本征硅的區(qū)別主要是其表面微結(jié)構(gòu)的不同，在其余方面與硅極為相似，因此黑硅材料與硅基光電探測器具有很好的工藝兼容性。此外，黑硅材料可以通過過飽和摻雜引入雜質(zhì)能級，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)硅基探測器響應(yīng)范圍較窄和量子效率低的缺點。同時相較于鍺（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，因此黑硅光電探測器具有很好的發(fā)展?jié)摿?。?列舉了近年來各高校和科研機(jī)構(gòu)制備的黑硅光電探測器的性能，從表1中我們可以看出隨著研究的不斷深入，黑硅光電探測器的性能正在逐步提高。

1 黑硅材料的性質(zhì)

黑硅的性質(zhì)主要取決于其表面微結(jié)構(gòu)，黑硅表面的納米結(jié)構(gòu)使得入射光在射入到微結(jié)構(gòu)表面時開始不斷反射，直至最后沉底。不同的制備方法得到的黑硅吸收率也不同，各種制備方法所得到的黑硅的吸收率如圖1所示。其中，圖1(a)是2013年電子科技大學(xué)Su等[12]使用濕法刻蝕制備的黑硅吸收率圖，其黑硅制備經(jīng)歷了兩個步驟，分別為堿法刻蝕和金屬輔助刻蝕，制備的黑硅表面為多孔結(jié)構(gòu)，可以看到其峰值吸收率在570 nm處達(dá)到了96.5%，但是在1100 nm處吸收率呈現(xiàn)了斷崖式的下滑。圖1(b)為2013年德國的M. Steglich等[28]使用反應(yīng)離子刻蝕法制備的黑硅吸收率圖，該黑硅在SF6:O2＝1:1的氣氛下制備，之后用Pt在Si表面沉積了PtSi層，圖1(b)中顯示了不同PtSi層厚度下的吸收率狀況，從圖中可以看出在1100nm附近的地方吸收率仍然出現(xiàn)了一個斷崖式的下滑，但是在1100 nm以后的吸收率相對來說已經(jīng)有所提高。圖1(c)為2012年吉林大學(xué)的劉長江研究小組[10]使用飛秒激光制備的黑硅吸收率圖，在固定脈沖數(shù)為200的SF6氣氛下使用不同激光功率密度制備的黑硅其光照吸收率也不相同，從圖中可以看出黑硅比普通硅的吸收率要高很多，在大約240～2500nm的范圍內(nèi)，黑硅的吸收率都保持在一個較高的水平，同時在1.9～5.7kJ/m2的區(qū)間，激光功率密度越大，制備的黑硅吸收率就越高，5.7kJ/m2激光功率密度下制備的黑硅在240～2500nm的區(qū)間平均吸收率都達(dá)到了90%以上。圖1(d)為2003年哈佛大學(xué)的Mazur等[29]在不同氣氛條件下用飛秒激光法制備出的黑硅的光吸收率，從圖中可以很明顯地看出在SF6氣氛下制備的黑硅其平均吸收率在90%以上，要比其他氣氛條件下制備的黑硅好很多。圖1(e)為2016年電子科技大學(xué)的盛浩研究小組[30]使用金屬催化刻蝕的方法制備出的黑硅吸收率圖，從圖1(e)中可以看出在他的實驗方法下，刻蝕時間在45min與60min的條件下黑硅的光吸收率差距不大，但二者相較于刻蝕15min的黑硅吸光率就有顯著的提高，同時經(jīng)過刻蝕的硅相較于裸硅其吸光率又有一個很大的提升。圖1(f)為2021年馬來西亞的Shahnawaz等[31]使用鋁輔助化學(xué)刻蝕的方法制備的黑硅吸收率圖，從圖1(f)中可以看出，在硅板上沉積的鋁層厚度不同，其對應(yīng)黑硅光吸收率也有所區(qū)別，但總體來講區(qū)別不大，只是跟本征硅形成了鮮明的對比。

表1 黑硅光電探測器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

通過黑硅與硅光吸收率的對比，可以輕易地看出不論是哪種方法制備的黑硅，對于光的吸收率相比于普通硅都有一個顯著的提升。因此，基于這個特性，研究人員便想到了用黑硅來替代硅基光電探測器上的普通硅，進(jìn)而提高光電探測器的性能。

2 基于飛/納秒激光法制備的黑硅光電探測器研究進(jìn)展

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制備黑硅的方法，其從問世以來就備受關(guān)注，至今為止，全球各地的研究人員分別研究了不同參數(shù)下通過飛秒激光法制備的黑硅的性質(zhì)，大致上主要包括改變激光通量密度、改變背景氣氛條件和改變退火溫度，這3個方面對黑硅的性質(zhì)有很大的影響。通過改變背景氣氛條件，可以實現(xiàn)不同形式的摻雜，進(jìn)而制備不同結(jié)構(gòu)的器件。最常見的器件結(jié)構(gòu)有n+/n型、n+/p型和PIN型，下面將分別闡述不同器件結(jié)構(gòu)的探測器研究進(jìn)展情況。

圖1 不同方法制備的黑硅的吸收率：(a) 濕法刻蝕[12]；(b) 反應(yīng)離子刻蝕[28]；(c) 飛秒激光刻蝕[10]；(d) 飛秒激光刻蝕[29] ；(e)濕法刻蝕[30]；(f) 濕法刻蝕[31]

2.1 基于飛秒激光法制備的n+/n型黑硅探測器

2005年，哈佛大學(xué)的Carey等[5]在SF6氣氛下用飛秒激光法制備了黑硅，并基于黑硅首次制備了n+/n型的黑硅光電探測器。2006年，該課題組又在Carey等制備的n+/n異質(zhì)結(jié)上引入了SiO2鈍化層，同時將襯底背面與電極的接觸由歐姆接觸改成了肖特基接觸[6]。該肖特基勢壘在一定程度上降低了器件的暗電流。在3V的偏壓下，器件在850nm時響應(yīng)率為92A/W，在980nm時響應(yīng)率為119A/W，其暗電流僅為2.3mA，分別如圖2(a)和2(b)所示。在1310nm和1550nm處，探測器仍有光響應(yīng)，其響應(yīng)率分別為0.09A/W和0.02A/W。

2015年，電子科技大學(xué)的王健波等[32]采用先飛秒激光后酸法腐蝕制備得到的黑硅材料研制了n+/n型的器件，其結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。在不同退火條件下制備得到的黑硅光電器件的測試結(jié)果如圖2(d)所示，在未退火與450℃退火的情況下，器件暗電流與偏置電壓呈線性關(guān)系，但是在600℃退火的情況下，出現(xiàn)二極管整流效應(yīng)。

同年，南開大學(xué)的趙麗等[16]用飛秒激光法在SF6氣氛下制備了S超摻雜黑硅，并用此黑硅制備了n+/n異質(zhì)結(jié)光電探測器，其結(jié)構(gòu)如圖2(e)所示，該器件在－0.5V的偏壓下量子效率（external quantum efficiency，EQE）就超過了100%。在－5V的偏壓下，分別在850nm和1100nm處測得了高達(dá)227A/W和528A/W的響應(yīng)率，同時在1330nm和1550nm處分別測得了134mA/W和188mA/W的紅外響應(yīng)率，并通過優(yōu)化器件性能在1100nm處測得最大值639A/W的響應(yīng)率，還將器件的響應(yīng)截止波長拓展到了1600nm處，如圖2(f)所示。2021年，南開大學(xué)的Jin等[33]用SF6氣氛下飛秒激光法制備得到的黑硅設(shè)計制作了一種工作溫度范圍為10～300 K的n+/n型硫超摻雜黑硅光電探測器。該探測器在整個工作溫度范圍內(nèi)的探測率保持在1012～1014Jones，同時在弱光照條件下，光/暗電流比在10 K時達(dá)到104，在400～1200 nm波段的峰值響應(yīng)率在10 A/W以上，如圖2(g)所示。

2016年，吉林大學(xué)的Yu等[34]用飛秒激光在N2和SF6的混合氣氛中制備了S與N雜質(zhì)共同摻雜的黑硅，與單獨摻雜S的黑硅相比較，共同摻雜的黑硅在紅外吸收方面表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，通過霍爾效應(yīng)測量得到了退火共摻雜黑硅的電子性質(zhì)，由于氮對缺陷的中性摻雜，共摻雜黑硅薄片載流子密度隨著氮含量的增加而減小。此外，基于共摻雜黑硅熱退火的穩(wěn)定吸收性能及其優(yōu)越的光響應(yīng)，他們制備了一種近紅外n+/n型黑硅光二極管，在1310nm波長下測得其響應(yīng)率為58mA/W。2018年，Zhao等[20,35]在氬氣氣氛中利用納秒激光刻蝕的方法獲得了黑硅，并基于黑硅層與硅襯底之間形成的n＋/n－結(jié)，制備了可見-近紅外黑硅光電探測器，黑硅的光吸收率及器件二極管結(jié)構(gòu)和封裝后的實物圖如圖2(h)所示，從圖中可以看出，在氬氣下制備的黑硅在1000～1100 nm處其光吸收率呈現(xiàn)斷崖式下滑；通過實驗測得加偏壓時探測器在400～1100 nm處的室溫響應(yīng)率及外量子效率如圖2(i)所示，在960 nm波長處，在－5V偏置電壓下獲得了8A/W的響應(yīng)率，同時獲得了1007%的EQE。

2.2 基于飛秒激光法制備的n+/p型黑硅探測器

2011年，哈佛大學(xué)的Said等[9]用離子注入法，分別在P型硅襯底的表面注入了Se和S，然后對其進(jìn)行了納秒激光刻蝕，并在制備的樣品上鍍制了Ti/Ni/Ag，最終制備出的n+/p型器件結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。該器件在－12V的偏壓下，EQE達(dá)到了2500%，當(dāng)反向偏壓降低時，探測器的EQE也隨之降低，但在－2V的偏壓下，其EQE仍然有近150%，如圖3(b)所示。

2012年，吉林大學(xué)的劉長江等[10]研究了不同實驗參數(shù)對制備的黑硅表面形貌與光學(xué)性能的影響。他的實驗表明隨著激光功率的增加，硅表面由不均勻分布的小凸點逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹芷谛耘帕械腻F結(jié)構(gòu)。同時，退火后的黑硅在1100～2400nm的波段內(nèi)吸收率下降了將近一倍。實驗中制備了一種直徑為140mm的n+/p型小面積臺面型器件，其結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示；在入射光波長為808nm，偏壓為－30V時，其響應(yīng)率超過了300A/W，如圖3(d)所示，但是其暗電流也超過了5mA，同時，該器件只有在反向偏壓超過－10V時，才會有明顯的光響應(yīng)，因此，該器件離實際應(yīng)用尚有一段距離。同年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的Hu等[11]用皮秒激光法制備了Se超摻雜的黑硅，同時，基于該黑硅制備了n+/p型光電探測器，其結(jié)構(gòu)如圖3(e)所示，這種二極管在400～1600nm范圍內(nèi)提高了光譜響應(yīng)度，并證明了響應(yīng)率與反向偏置電壓及脈沖激光流有關(guān)。在5 V的反向偏置電壓下，器件的室溫響應(yīng)率在1000nm處達(dá)到了16A/W；并且在1330 nm和1550 nm處也分別獲得了15mA/W和12mA/W的響應(yīng)率，如圖3(f)所示。

圖2 n+/n型黑硅光電探測器：(a)和(b)器件響應(yīng)率及響應(yīng)電流[6]；(c)和(d)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)電流[32]；(e)和(f)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[16]；(g)器件響應(yīng)率及探測率[33]；(h)和(i)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[20,35]

而王熙元等[13,36]則在2013年用納秒激光法制備了Te超摻雜的黑硅，該材料在400～2500 nm的波長范圍有較高的光吸收率，如圖3(g)所示。同時，基于這種黑硅制備了n+/p異質(zhì)結(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖3(h)所示。在－12V的反向偏壓下，該探測器的室溫響應(yīng)率在1000nm處達(dá)到了6.9A/W，其響應(yīng)截止波長大約在1250nm，且響應(yīng)截止波長隨著反向偏壓的增大而增大，同時，即便在－1V的偏壓下，其EQE也在100%以上，如圖3(i)所示。

2.3 基于飛秒激光法制備的PIN型黑硅探測器

2017年，電子科技大學(xué)的Meng等[19]采用飛秒激光蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻和金屬催化化學(xué)蝕刻法制備黑硅。研究發(fā)現(xiàn)，在400～2200nm的波長下，光的吸收顯著增強(qiáng)，其中用飛秒激光在SF6氣氛中蝕刻的黑硅在近紅外波長范圍中的吸收值最高。然而，晶體硅的少數(shù)載流子壽命縮短了一定程度，這種情況可以通過沉積二氧化硅薄膜使黑硅表面鈍化來進(jìn)行有效的調(diào)整和控制。最后，基于SF6氣氛下用飛秒激光蝕刻法制備的黑硅制造了一個PIN光電探測器，其結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，實驗測得其光電響應(yīng)率如圖4(b)所示，與沒有蝕刻工藝的PIN硅光電探測器相比，在1060nm處獲得了更高的0.57A/W的響應(yīng)率。同年，宣曜宇等[37]研究了飛秒激光在不同氣氛下制備的黑硅材料的特性，其中在H2S和SF6的混合氣氛下制備的黑硅在可見-近紅外波段范圍內(nèi)的吸收率都保持在90%以上，其吸光性能相比于其他氣氛下制備的黑硅來說是最好的。所有氣氛下制備的黑硅在250～1100 nm的波段內(nèi)吸收率都很高，可以解釋為尖錐狀結(jié)構(gòu)在幾何層面上增加了入射光在晶體硅表面的反射次數(shù)，這種結(jié)構(gòu)大大減少了材料反射損失掉的光吸收。但在1100 nm之后，其他氣氛下制備的黑硅光吸收率呈現(xiàn)顯著地下降，對于1100 nm之后的光波段吸收減弱的現(xiàn)象，可以解釋為：雖然尖錐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了反射次數(shù)增加，但是卻無法彌補(bǔ)材料內(nèi)部禁帶寬度過大而無法吸收近紅外光波的特性。最后，基于飛秒激光S摻雜的黑硅，制備了PIN光電探測器，其二極管單元器件如圖4(c)所示。實驗采用了DSR100UV-B光譜響應(yīng)探測器對制備得到的黑硅PIN結(jié)構(gòu)探測器進(jìn)行了光電響應(yīng)率的測試，并使用Silvaco軟件對器件響應(yīng)率進(jìn)行了仿真測試，其響應(yīng)率對比結(jié)果如圖4(d)所示，黑硅PIN光電探測器的實際測量峰值響應(yīng)在830 nm附近出現(xiàn)，響應(yīng)峰值約為5.9 A/W。而郭國輝等[38]則針對黑硅PIN四象限光電探測器，進(jìn)行了器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，基于飛秒激光SF6刻蝕的黑硅設(shè)計的正照式黑硅PIN光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4(e)所示，因其后續(xù)加工工藝尚未完成，故未能及時測得探測器的性能參數(shù)。2019年，鐘豪等[22]在SF6氣氛下用飛秒激光法制備了S摻雜黑硅，配合SiO/SiN雙層薄膜鈍化，進(jìn)行了正照式和背照式兩種Si-PIN光電探測器的試制，其結(jié)構(gòu)如圖4(g)所示，實驗結(jié)果表明，這兩種新型探測器的光譜響應(yīng)范圍明顯增大，在12V的反向偏壓下，在1060nm處的響應(yīng)率分別為0.53A/W和0.57A/W，同時暗電流小于1nA，響應(yīng)時長小于30ns，工作溫度范圍在－25℃～60℃，其綜合性能可與日本濱松公司的硅基探測器同類產(chǎn)品相媲美。2021年，電子科技大學(xué)的鄭澤宇等[27]報道了一種全硅PIN光電探測器，該器件的黑硅層用飛秒激光法制備，其量子效率達(dá)到80%，光響應(yīng)率達(dá)到0.55 A/W，峰值波長為940 nm，暗電流降至700 pA，響應(yīng)時間為200 ns，在700～1000 nm之間，該器件響應(yīng)率較傳統(tǒng)的硅基探測器有明顯提升，如圖4(f)所示，其中GD3252Y為該黑硅器件，其余為濱松公司的傳統(tǒng)硅器件。

圖3 n+/p型黑硅光電探測器：(a)和(b)器件結(jié)構(gòu)及外量子效率[9]；(c)和(d)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[10]；(e)和(f)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[11]；(g)、(h)和(i)黑硅吸收率、器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[13,36]

2020年，中國科學(xué)院大學(xué)的王稞等[24]利用他們自主搭建的飛秒激光加工系統(tǒng)在SF6氣氛下制備了S超摻雜黑硅PIN型光電二極管，他們用一種短時間連續(xù)刻蝕法，使黑硅器件的近紅外響應(yīng)得到了明顯的提高（在－0.1V的偏壓下，1064 nm處的響應(yīng)率由0.2A/W提升至0.45A/W），而后優(yōu)化工藝制備了雙面黑硅PIN型光電二極管，其暗電流小于10nA，并且器件在0.1V反向偏壓下，于1064 nm處的響應(yīng)率可達(dá)0.56A/W，相較于未進(jìn)行飛秒激光加工處理的商用硅基PIN型光電探測器的0.22A/W，增幅高達(dá)150%，如圖4(h)所示。

圖4 PIN型黑硅光電探測器：(a)和(b)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[19]；(c)和(d)器件結(jié)構(gòu)及模擬響應(yīng)率[37]；(e) 器件結(jié)構(gòu)[38]；(f) 器件響應(yīng)率[27]；(g)器件結(jié)構(gòu)[22]；(h)器件響應(yīng)率[24]

2.4 基于飛秒激光法制備的其他類型黑硅探測器

2017年，中國科學(xué)院大學(xué)的王延超等[39]同樣基于SF6氣氛下獲得的黑硅制備了單管黑硅光電探測器，其最終獲得的單管探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(a)所示。實驗結(jié)果表明不論是N型襯底還是P型襯底制備的黑硅單元器件在反向偏壓為0的情況下，其響應(yīng)電流明顯小于存在反向偏壓時的響應(yīng)電流；用N型襯底制備的單管探測器響應(yīng)率與商用硅探測器響應(yīng)率對比結(jié)果如圖5(b)所示，在－5V的偏壓下，該黑硅探測器的響應(yīng)率為商用硅探測器的30倍，其峰值響應(yīng)率在1030nm處達(dá)到了24.5A/W，在400～1100 nm范圍內(nèi)的平均響應(yīng)率高達(dá)14.3A/W，在1200～1500 nm范圍內(nèi)的平均響應(yīng)率為71mA/W。

2018年，吉林大學(xué)的于心月等[40]通過飛秒激光法制備了Au超摻雜的黑硅，并基于此種黑硅材料制備了光電探測器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5(c)所示。其分別用100mW和200mW的激光功率加工了5mm×5 mm大小的N型襯底的黑硅探測器樣品，然后對樣品進(jìn)行熱退火處理，退火條件為：溫度823 K、時間30 min、保護(hù)氣體為氬氣。通過實驗測試了該探測器的暗電流以及在1310nm、5mW光照下的感應(yīng)電流，繪制的-曲線如圖5(d)和5(e)所示，根據(jù)測得的電流分別計算其響應(yīng)率，得到反向偏壓為10V時，激光功率為100 mW的器件響應(yīng)率為4.6mA/W；激光功率為200 mW的器件為1.32 mA/W。而李春昊等[41]用納秒激光制備的非摻雜黑硅設(shè)計了光電二極管，其結(jié)構(gòu)如圖5(f)所示，在反向偏壓為10V時，器件在1310 nm的光響應(yīng)率為256mA/W，但暗電流也高達(dá)9.76mA/cm2；對該器件在475K下退火1min后，暗電流降低為2.88 mA/cm2，此時1310 nm處的光響應(yīng)為137mA/W。此外，他們還用飛秒激光法制備了具有熱穩(wěn)定性的P摻雜黑硅，黑硅中的P雜質(zhì)濃度不會因高溫退火而明顯降低，故其具有紅外吸收的熱穩(wěn)定性。他們也用飛秒激光法制備了N摻雜的黑硅，并用N摻雜的黑硅制備了如圖5(g)所示的單層黑硅光電二極管與雙層黑硅光電二極管，并使用波長為1310 nm、光強(qiáng)為5mW的激光作為激發(fā)光源測得兩種器件在－10V的偏壓下響應(yīng)率分別為4.0mA/W以及5.3 mA/W，同時，他們制備了相同結(jié)構(gòu)的S摻雜的單層黑硅二極管，測得其響應(yīng)率為0.6mA/W，比N摻雜黑硅器件小了一個數(shù)量級。2021年，吉林大學(xué)的Yang Yang等[26]利用飛秒激光照射，制備了Mo摻雜的黑硅，在1100～2500 nm的范圍內(nèi)，黑硅的光吸收率超過了60%，并基于這種黑硅材料制備的光電探測器在－10 V偏置電壓下，在1310 nm處的響應(yīng)率達(dá)到了76 mA/W。

圖5 飛秒激光制備的其他黑硅光電探測器：(a)和(b)器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[39]；(c)、(d)和(e)器件結(jié)構(gòu)及I-V曲線[40]；(f)和(g)器件結(jié)構(gòu)[41]；(h) 器件結(jié)構(gòu)[42-43]

2020年，電子科技大學(xué)的呂堅等[42-43]在HF氛圍下對鍍有Se膜的硅材料進(jìn)行了飛秒激光燒蝕，制備了高陷光性Se摻雜黑硅，該材料在400～2200 nm波段的平均吸收率為96.81%，經(jīng)過600℃退火后吸收率仍有83.12%。隨后，基于此黑硅材料設(shè)計了雙四象限光電探測器，如圖5(h)所示，該器件在1060 nm處平均單元響應(yīng)率為0.528 A/W，在1180 nm處則為0.102 A/W，平均暗電流僅為4.4 nA，響應(yīng)時間為11.3 ns。

同年，復(fù)旦大學(xué)的Ma等[44]用飛秒激光法在SF6和NF3共同存在的氣氛下制備了共超摻雜黑硅，基于此沒有經(jīng)高溫?zé)嵬嘶鸬墓渤瑩诫s（NF3/SF6，35/35 kPa）材料的光電探測器在光響應(yīng)率上表現(xiàn)出較高性能，在－5V的偏壓下，在1050 nm處的響應(yīng)率為6A/W，比由S超摻雜硅制成的光電探測器高一個數(shù)量級。他們認(rèn)為這種增益有可能是光導(dǎo)增益，同時，實驗結(jié)果表明N共超摻雜是高溫退火的替代方法，可以有效修復(fù)材料缺陷，提高光響應(yīng)率。與退火不同的是它在提高結(jié)晶度的同時，保留了飛秒激光引起的大部分亞帶隙吸收，但是亞帶隙光響應(yīng)并未達(dá)到預(yù)期值。

3 基于濕法制備的黑硅光電探測器研究進(jìn)展

濕法腐蝕主要分為酸法腐蝕、堿法腐蝕以及電化學(xué)腐蝕。酸法腐蝕通常用HF、H2O2和水的混合物作為腐蝕劑，同時為了增加腐蝕深度，通常用Au、Ag和Pt等貴金屬作為催化劑；堿法腐蝕則用KOH、無水乙醇和去離子水的混合物與硅片進(jìn)行反應(yīng)；電化學(xué)腐蝕是用電極電勢較高的金屬做陽極，用HF做電解液，使電解液直接腐蝕硅片的過程。本章簡要敘述一下濕法制備的黑硅光電探測器各項性能參數(shù)。

2011年，電子科技大學(xué)的蘇元捷等[45]用濕法刻蝕工藝對單晶硅進(jìn)行腐蝕得到黑硅，并利用該黑硅材料制備了金屬-半導(dǎo)體-金屬（metal-semiconductor-metal，M-S-M）結(jié)構(gòu)光電探測器，器件結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，并在黑硅材料與鋁電極之間加了Si3N4作為勢壘層，3組樣品的勢壘層厚度分別為30nm，60nm和90nm。在負(fù)偏壓為4V時，器件分別有0.274A/W，0.062A/W和0.032A/W的響應(yīng)率。而器件信噪比（signal noise ratio，SNR）分別為28.7 dB，21.1 dB和44.9 dB。在綜合考慮下，該器件選用30 nm的勢壘層時性能最佳。同年，該課題組[8]報道了他們用濕法制備的M-S-M結(jié)構(gòu)黑硅光電探測器在400～700 nm光譜范圍內(nèi)的響應(yīng)率，在673K下進(jìn)行快速熱退火處理的器件在－1V的偏壓下，于670 nm處的響應(yīng)率為58.8 A/W。2013年，該課題組[12]用堿法刻蝕和金屬輔助刻蝕相結(jié)合的方法制備了黑硅，并基于此黑硅制備了M-S-M結(jié)構(gòu)光電探測器，器件結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示。該探測器在N2環(huán)境下進(jìn)行了不同溫度的快速熱退火處理，在－1 V的偏壓下，673 K下退火處理的探測器在600 nm處達(dá)到了峰值響應(yīng)率76.8 A/W，如圖6(c)所示。在4 V的反向偏壓下，673 K退火的器件暗電流為105.6 nA，信噪比為38.9 dB。2014年，張婷等[46]用酸堿結(jié)合的方法制備了M-S-M型光電探測器，分別在黑暗和光照條件下對器件進(jìn)行了光/暗電流測試，在－1～1V偏置電壓下，暗電流始終保持在數(shù)十微安級別，而光電流則達(dá)到了毫安量級。同年，電子科技大學(xué)的余峰等[14]用電化學(xué)腐蝕的方法制備了背照式黑硅PIN單元探測器件，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(d)所示，該器件在近紅外波段具有較高的光響應(yīng)，峰值響應(yīng)率達(dá)到0.35 A/W，但在可見光波段沒有響應(yīng)，可能是由于本征層太厚所導(dǎo)致的。2015年，王健波等[32]用電化學(xué)腐蝕法制備了M-S-M型黑硅光電探測器，器件結(jié)構(gòu)如圖6(e)所示，在－5～5V的偏置電壓下，器件的暗電流基本維持在微安量級，在30mW的光功率下測試的光電流則基本都在毫安量級。而廖家科等[47]用電化學(xué)腐蝕與金屬催化刻蝕相結(jié)合的方法，制備了黑硅PIN型光電探測器，并將其與用納米壓印法制備的器件進(jìn)行了性能對比。響應(yīng)率如圖6(f)所示，基于金屬誘導(dǎo)納米刻蝕的器件，在3V的反向偏壓下，在1060nm處達(dá)到了0.40A/W的峰值響應(yīng)率。2016年，電子科技大學(xué)的盛浩等[30]用金屬催化腐蝕法制備了PIN背照式黑硅光電探測器，在12V的反向偏壓下，器件響應(yīng)率如圖6(g)所示，從圖中可以看出，在可見光波段的響應(yīng)率甚至不如普通硅光電探測器，但是在紅外波段，響應(yīng)率高于普通硅探測器，在1000 nm處達(dá)到了0.68 A/W的峰值響應(yīng)率，同時暗電流小于10 nA，響應(yīng)時間小于10 ns。同年，電子科技大學(xué)的Zhong等[17]使用金屬輔助化學(xué)蝕刻（metal-assisted chemical etching）的方法在碳化硅表面制備了納米結(jié)構(gòu)的黑硅。在400～2500 nm的寬波長范圍內(nèi)，黑硅的吸光率顯著增強(qiáng)，最大吸收率達(dá)到95%，同時又基于他們制備的黑硅材料設(shè)計了PIN型光電探測器，并將該器件的響應(yīng)率與濱松公司[48]以及Moloney等[49]所制備的器件進(jìn)行了對比，如圖6(h)所示。基于這種黑硅的Si-PIN光電探測器在1060 nm處的響應(yīng)率為0.57 A/W。2018年，馬世俊等[2]用金屬輔助濕法化學(xué)刻蝕制備了黑硅，并設(shè)計制備了基于硅化鉑/黑硅微結(jié)構(gòu)的肖特基型光電探測器，對器件引出電極封裝后測得其響應(yīng)截止波長延伸到了2500nm，而且在2000 nm處出現(xiàn)了第二響應(yīng)峰，在0.3V的反向偏壓下，1064 nm處的響應(yīng)率達(dá)到了10A/W，但暗電流同時也達(dá)到了微安量級。2020年，宋軼佶等[50]用酸法腐蝕制備了碗孔黑硅，并對其進(jìn)行了等離子激元復(fù)合處理，在將黑硅層引入正照式Si-PIN光電探測器后，測試到其光譜響應(yīng)范圍為400～1170 nm，在180V的反偏電壓下，峰值響應(yīng)率在980nm處為0.64A/W，在1060nm處的響應(yīng)率為0.45A/W，同時其外量子效率為52.6%，暗電流小于10nA。因其需要加在電極上的反偏電壓較大，故該結(jié)構(gòu)距離應(yīng)用尚有一定的距離。

2015年，重慶光電技術(shù)研究所的李華高等[51]用金屬輔助刻蝕法制備的黑硅設(shè)計了光敏二極管，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(i)所示，在反向偏壓15V的條件下，黑硅探測器的紅外響應(yīng)率在1064nm處達(dá)到了0.518 A/W，相應(yīng)的量子效率為60%，比常規(guī)探測器的量子效率提高了65%。2021年，黃建等[52]用基于硝酸、氫氟酸、磷酸和硫酸混合液的濕法腐蝕工藝，制備了高吸收效率的黑硅結(jié)構(gòu)，設(shè)計了具有近紅外響應(yīng)增強(qiáng)效果的黑硅PIN型光電探測器，并與未集成黑硅的PIN型光電探測器的性能參數(shù)進(jìn)行了對比測試。測試結(jié)果表明，黑硅光電探測器在1060 nm波長下的響應(yīng)率達(dá)到0.69 A/W，比常規(guī)硅光電探測器提高了116%，同時其量子效率達(dá)到了80.7%，但器件的暗電流、響應(yīng)時間、電容等參數(shù)，與常規(guī)硅探測器相當(dāng)。

2018年，南開大學(xué)的王錦等[53]采用金屬催化腐蝕的方法，在單晶硅上制備了倒金字塔型陷光結(jié)構(gòu)，并制備了PIN型光電探測器，倒金字塔結(jié)構(gòu)由于約40%的入射光將進(jìn)行3次反射，所以可以將反射率降低至5%。在940 nm附近，探測器的峰值響應(yīng)率約為0.64 A/W，量子效率在95%以上。同年，斯洛伐克的Müllerová等[54]報道了在外加電場的HF:MeOH溶液中電化學(xué)刻蝕制備的黑硅樣品的角反射和偏振反射特性。上海科技大學(xué)的Xu等[55]采用金屬催化化學(xué)蝕刻法制備了黑硅，其在250～2500 nm波段范圍內(nèi)的平均吸收率為90%。

圖6 濕法腐蝕制備的黑硅光電探測器結(jié)構(gòu)及性能圖：(a) 器件結(jié)構(gòu)[45]；(b)和(c) 器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[12]；(d) 器件結(jié)構(gòu)[14]；(e)器件結(jié)構(gòu)[32]；(f) 器件響應(yīng)率[47] ；(g) 器件響應(yīng)率[30]；(h) 器件響應(yīng)率[17]；(i) 器件結(jié)構(gòu)[51]

2019年，復(fù)旦大學(xué)的Hu等[21]制備了肖特基型黑硅光電探測器，采用濕法化學(xué)蝕刻制備了黑硅/Ag-NPs樣品。與平面Si/Ag薄膜肖特基光探測器相比，黑硅/Ag-NPs光電探測器的響應(yīng)率獲得顯著提高，在反偏電壓為3V的情況下，在1319nm和1550nm處的光響應(yīng)率分別為0.277 mA/W和0.226 mA/W，在反偏電壓為10 V時，響應(yīng)率基本翻倍，分別為0.553 mA/W和0.458 mA/W。

4 基于反應(yīng)離子刻蝕法制備的黑硅光電探測器研究進(jìn)展

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)。在真空系統(tǒng)中，反應(yīng)產(chǎn)生的揮發(fā)性產(chǎn)物被抽走，形成反應(yīng)-揮發(fā)-抽排的循環(huán)，從而不斷刻蝕材料表面到達(dá)指定深度。

2007年，臺北理工大學(xué)的Huang等[56]通過使用由硅烷（SiH4）、甲烷（CH4）、氫氣（H2）和氬氣（Ar）組成的活性刻蝕氣體，進(jìn)行了高密度電子回旋共振的反應(yīng)離子刻蝕，制備了從1.6～16mm一系列不同長度的非周期超長硅納米針陣列表面，結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。與單一刻蝕方法不同的是這種材料對入射光具備寬光譜吸收和幾乎全方位的抗反射性能，隨著納米針長度的增加，其陷光波段從可見光延伸至太赫茲波段。

2013年，德國的Steglich等[28]用反應(yīng)離子刻蝕法制備的黑硅提出了一種基于黑硅表面納米結(jié)構(gòu)的正入射光捕獲方案，用于工作在紅外光譜范圍內(nèi)的硅基光電發(fā)射探測器，其外量子效率如圖7(b)所示。他們通過在Si表面沉積PtSi薄膜而使黑硅材料的吸光度提高了2～3倍，同時，他們在1550nm處檢測的黑硅器件的最佳PtSi厚度如圖7(c)所示。結(jié)果表明，帶有黑硅的Pd2Si/p-Si探測器被認(rèn)為是在第三光學(xué)窗口中進(jìn)行室溫探測的比較有前途的候選器件，預(yù)期外量子效率在9%～14%范圍內(nèi)。2015年，Steglich等[15]又用干法刻蝕的黑硅制備了正入射鍺硅光電二極管，結(jié)構(gòu)如圖7(d)所示，并對其響應(yīng)率進(jìn)行了分析。與不含黑硅的標(biāo)準(zhǔn)硅鍺光電二極管相比，該黑硅器件在1550 nm處的響應(yīng)率提高了3倍，為0.34 A/W，這樣在超快鍺硅探測器中存在的帶寬響應(yīng)問題就可以被解決。

2016年，電子科技大學(xué)的盛浩等[30]基于用反應(yīng)離子刻蝕法與離子注入組合的工藝制備得到的黑硅設(shè)計了正照式PIN型光電探測器，器件結(jié)構(gòu)如圖7(e)所示，器件的光譜響應(yīng)范圍為400～1100 nm，峰值響應(yīng)波長為1000nm，在12V的反向偏壓下峰值響應(yīng)率為0.71A/W，如圖7(f)所示，在相同偏壓下在1060 nm處器件的響應(yīng)率為0.45A/W，響應(yīng)時間小于10ns，暗電流小于10 nA，工作溫度范圍為－25℃～＋60℃。

2017年，芬蘭的Heinonen等[18]報道了一種在250～950nm的波長范圍內(nèi)具有接近統(tǒng)一光譜響應(yīng)的硅光電二極管，即使具有較大的入射角也不會大幅度地影響器件響應(yīng)率。同時也報道了他們的二極管在近紅外區(qū)域優(yōu)越的量子效率，在接近硅帶隙的1100nm處超過50%，并且還有來自更深的紫外區(qū)域的新數(shù)據(jù)。他們還表明，在更新了設(shè)備之后，他們制備的第三代器件在300～950nm的波長范圍內(nèi)，有超過98%的EQE。2020年，Heinonen等[57]展示了具有納米結(jié)構(gòu)前表面的硅光電二極管。用反應(yīng)離子蝕刻制備的黑硅與典型的最先進(jìn)的硅光電二極管相比，在近紅外波長下表現(xiàn)出顯著提高的量子效率。該探測器顯示出超過90%的EQE，如圖7(g)所示，截止波長高達(dá)1040 nm，在1100 nm處EQE超過60%。進(jìn)一步的研究表明，除了黑硅的低反射率外，由于散射而增加的有效光程長度對近紅外可見的增強(qiáng)有重要貢獻(xiàn)。除此以外，還比較了在較厚的DSP FZ（double side polished float zone）晶片上制作的具有黑硅平面的相同光電二極管，發(fā)現(xiàn)散射效應(yīng)可使有效光程長度增加43%，這取決于活性層的厚度和背面的結(jié)構(gòu)。這證實了除了降低反射率外，由黑硅引起的透射光的散射在EQE增強(qiáng)中起著關(guān)鍵作用，這特別有利于背照式光電探測器。他們還證明了黑硅探測器的高EQE保持在高達(dá)60°的入射角，允許在光并不總是垂直的入射條件下具有優(yōu)異的性能。

圖7 干法腐蝕制備的黑硅光電探測器結(jié)構(gòu)及性能圖：(a) 黑硅結(jié)構(gòu)[56]；(b)和(c) 器件EQE及內(nèi)量子效率（IQE）[28]；(d) 器件結(jié)構(gòu)[15]；(e)和(f) 器件結(jié)構(gòu)及響應(yīng)率[30]；(g) 器件的EQE[57]；(h) 黑硅微結(jié)構(gòu)[58]

2019年，韓國的Kim等[58]在設(shè)計的光刻掩模版輔助下，通過微調(diào)精細(xì)控制的RIE工藝制備了沙漏型黑硅陷光結(jié)構(gòu)，如圖7(h)所示，沙漏型結(jié)構(gòu)上下納米錐之間的協(xié)同陷光效應(yīng)很大地提高了光吸收率，基于此結(jié)構(gòu)的光電二極管具備了可見光至近紅外的光電探測性能，甚至在1400 nm處也有響應(yīng)。它們都展現(xiàn)了陷光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對推廣黑硅在近紅外波段應(yīng)用的可行性。

5 黑硅光電探測器的應(yīng)用發(fā)展

2010年，美國SiOnyx公司的Pralle等[7]開發(fā)了一種將黑硅用于CMOS傳感器的新技術(shù)，在這項工作中，他們發(fā)現(xiàn)含有黑硅的光電二極管在可見光和近紅外波長下表現(xiàn)出高達(dá)100A/W的光響應(yīng)。這種高光響應(yīng)是光導(dǎo)增益的直接結(jié)果，這是一種通常在II-VI族半導(dǎo)體中觀察到的放大機(jī)制，但以前在硅基材料系統(tǒng)中沒有發(fā)現(xiàn)。研究表明，采用暗電流低至120nA/cm2的探測器，光響應(yīng)率為32A/W。這種技術(shù)將器件感光范圍擴(kuò)展到短波紅外波段，并使其具有全面性能的數(shù)字化夜視能力，可與當(dāng)時基于圖像增強(qiáng)器的夜視鏡相媲美，該技術(shù)與已經(jīng)成熟的CMOS制造工藝兼容并且能大幅度降低夜視成本，在噪聲信號無顯著增加的情況下，其測量到的量子效率約為當(dāng)時圖像傳感器的10倍，光譜范圍在400～1200nm。因此，利用該探測器進(jìn)入焦平面陣列將在CMOS上實現(xiàn)夜視。2013年，Pralle等[59]利用專有的超快激光蝕刻的黑硅開發(fā)了可見光和紅外CMOS圖像傳感器。該技術(shù)在大幅度提高成像效果的同時保持了與標(biāo)準(zhǔn)CMOS圖像傳感器處理流程的完全兼容性。通過捕獲可見光狀態(tài)下的光以及來自夜間的紅外光，這種傳感器技術(shù)提供了從白天到黃昏再到夜間的成像功能，其夜間成像效果如圖8(a)～(b)所示，其幀頻均為30 fps。在臨界的1064 nm激光節(jié)點上可以在各種環(huán)境條件下看到斑點成像能力，其光譜響應(yīng)范圍為400～1200 nm。

2014年，丹麥的Petersen等[60]提出了一個由干法蝕刻的黑硅制備的納米結(jié)構(gòu)的表面，它降低了光在所有角度入射的反射率。這個表面是在用于組織血氧測定的紅外探測器上制造的，其結(jié)構(gòu)陣列如圖8(c)所示，該器件很重要的一點是用來檢測弱漫反射光信號。對新生兒頭部模型進(jìn)行的Monte Carlo模擬顯示，大約60%的入射光將被漫反射。然而，由于腦氧合的變化而引起的漫反射光的變化非常低，光將完全各向同性散射。他們測量了不同入射角的黑硅表面反射率，入射角高達(dá)70°時的反射率低于10%。測量了黑硅納米結(jié)構(gòu)探測器的量子效率，并與簡單抗反射涂層的探測器進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，正常入射光和38°入射光的量子效率均有所提高。

圖8 黑硅光電探測器應(yīng)用及效果圖：(a)和(b) CMOS成像效果[59]；(c) 探測器結(jié)構(gòu)陣列[60]；(d) CMOS與CCD成像對比[61]；(e)器件結(jié)構(gòu)[62]；(f) 柔性黑硅光電探測器[64]；(g) CMOS成像效果[24]；(h) CMOS成像效果[66]

2015年，SiOnyx公司的Pralle等[61]通過結(jié)合CMOS圖像傳感器設(shè)計的超低噪聲特性與黑硅增強(qiáng)像素的寬光譜量子效率，實現(xiàn)了高幀頻、低延遲和低光成像。SiOnyx已經(jīng)實現(xiàn)了使用720p的CMOS圖像傳感器在60 fps的1mLx以下的光水平下的成像，他們制備的黑硅CMOS圖像傳感器與當(dāng)時最好的CCD圖像傳感器在暗室條件下的成像對比如圖8(d)所示。

2016年，芬蘭的Juntunen等[62]制備了高量子效率的黑硅紫外單元光電探測器，其結(jié)構(gòu)如圖8(e)所示。使用原子層沉積在電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕黑硅表面形成Al2O3鈍化層，并利用Al2O3鈍化層的負(fù)電荷鈍化效應(yīng)，在探測器上形成收集光生載流子的反型層。同時，由于使用低摻雜的硅晶圓，很好地減少了俄歇復(fù)合現(xiàn)象。因此，該器件不僅在300～950 nm波段擁有很高的響應(yīng)率，在低于300nm的紫外波段更是出現(xiàn)了超過100%的量子效率，他們模擬器件結(jié)構(gòu)后，認(rèn)為該情況是由于黑硅尖峰端的局域電場可以達(dá)到在雪崩光二極管中的使用水平，從而導(dǎo)致了局部的雪崩響應(yīng)。2020年，Garin等[63]在沒有外部增強(qiáng)的情況下使用黑硅制備了外量子效率超過130%的紫外光電探測器，在紫外傳感器中，該器件的性能已經(jīng)達(dá)到了一個很高的層次。

2019年，南開大學(xué)的Jin等[64]制備了基于黑硅的獨立柔性光電探測器，如圖8(f)所示，其中黑硅是用飛秒激光法在SF6氣氛下制備的。實驗發(fā)現(xiàn)，該器件在400～1200nm的范圍內(nèi)有很好的光響應(yīng)，在－2V的低偏壓下，器件在870nm處的峰值響應(yīng)率為63.79A/W，而EQE更是達(dá)到了9092%，超過了絕大多數(shù)硅基柔性光電探測器，器件響應(yīng)上升時間約為68ms。此外，當(dāng)該柔性器件彎曲到不同曲率半徑時，探測器的響應(yīng)率幾乎不變。

2020年，中國科學(xué)院大學(xué)的王稞等[24]嘗試制備了黑硅CMOS圖像傳感器，表征并分析了其電學(xué)性能，以此進(jìn)一步優(yōu)化了飛秒激光加工工藝，并對此黑硅化器件進(jìn)行了刻蝕處理。經(jīng)黑硅化工藝處理后，商用硅基CMOS圖像傳感器的性能提升主要有以下3方面：器件的量子效率在950～1100nm的近紅外波段范圍內(nèi)提升了30%；器件的暗電流在短曝光時間下無明顯增加；器件于超過950nm的近紅外波段所成的圖像在分辨率沒有降低的情況下，亮度及對比度有了顯著增強(qiáng)，其成像效果如圖8(g)所示。同年，電子科技大學(xué)的申朝陽等[65]將黑硅和硅表面鈍化的方式結(jié)合在一起，利用Al2O3薄膜將黑硅表面鈍化處理，并測試了表面鈍化處理后黑硅太赫茲（terahertz，THz）調(diào)制器在808nm激光泵浦作用下的太赫茲波調(diào)制性能。測試結(jié)果表明，相比于黑硅，其太赫茲波調(diào)制深度進(jìn)一步增加，特別是在激光功率較低的情況下，比如在泵浦激光功率為0.2W時，黑硅的平均THz波調(diào)制深度為26.3%，而表面鈍化黑硅光控太赫茲調(diào)制器的平均THz波調(diào)制深度為41.3%。隨后，他們搭建了基于表面鈍化黑硅光控太赫茲調(diào)制器的太赫茲成像系統(tǒng)，并實現(xiàn)了10×10和15×15陣列掃描成像，但其成像效果較差。

2021年，SiOnyx公司[66]發(fā)布了其最新的黑硅圖像傳感器XQE-1350，該器件在微光環(huán)境下的全彩成像可以觀察到豐富的細(xì)節(jié)，如圖8(h)所示，這是黑硅圖像傳感器的一個重要突破。

6 結(jié)論與展望

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器的研究進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)黑硅光電探測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。對黑硅光電探測器的一系列研究，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)品驗證了黑硅CMOS工藝是當(dāng)前實現(xiàn)微光探測的一條重要技術(shù)路線，并增進(jìn)了其在民用市場領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)而表明了黑硅光電探測器具有廣闊的應(yīng)用前景。

未來黑硅光電探測技術(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工藝技術(shù)；④摻雜型硅基材料的波長拓展技術(shù)。

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Research Progress of Black Silicon Photoelectric Detection Materials and Devices

WANG Bo1,2,3，TANG Libin1,3，ZHANG Yuping1,3，DENG Gongrong1，ZUO Wenbin1,3，ZHAO Peng1

(1.,650223,;2.,,650500,;3.,650223,)

As a new photoelectric material, black silicon has been widely studied in photovoltaic solar cells, photodetectors, CMOS image sensors and other fields. Among them, the photoelectric detection technology of black silicon has attracted much attention, and important research progress has been made in recent years. In this review, the structure of black silicon materials has been firstly introduced, then the properties of black silicon materials prepared by femtosecond laser etching, wet etching and reactive ion etching are briefly discussed. Secondly, the structure and performance of different black silicon photodetectors based on the above preparation methods are summarized, then the application of black silicon devices in different fields is discussed. Finally, the photoelectric detection technology of black silicon is analyzed and prospected, and the future development direction of black silicon materials and devices is discussed.

black silicon, photodetectors, research progress

TN36

A

1001-8891(2022)05-0437-16

2022-04-15；

2022-05-09.

王博（1996-），男，碩士研究生，研究方向是黑硅光電探測材料與器件。

唐利斌（1978-），男，正高級工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事光電材料與器件的研究。E-mail: scitang@163.com。

國家重點研發(fā)計劃（2019YFB2203404）；云南省創(chuàng)新團(tuán)隊項目（2018HC020）。