黑硅光电探测器材料与器件研究进展
2022-06-13 15:16:31 | 新闻中心          浏览量:90

黑硅( black silicon)是一种具有表面微结构的硅,因其独特的表面结构而有着较高的光吸收率。作为一种新型光电材料,黑硅在光伏太阳能电池、光电探测器、 CMOS图像传感器等领域被广泛研究,其中黑硅的光电探测器技术备受关注,近些年来也取得了重要的研究进展。

制备黑硅的方法主要划分为 4种:飞秒激光或纳秒激光刻蚀、反应离子刻蚀、湿法腐蚀以及纳米压印。黑硅材料与硅基光电探测器具有很好的工艺兼容性。此外,黑硅材料可以通过过饱和掺杂引入杂质能级,从而扩展黑硅器件的响应范围,可以很好地弥补传统硅基探测器响应范围较窄和量子效率低的缺点。同时相较于锗( Ge)、砷化镓( GaAs)、铟镓砷( InGaAs)等材料,黑硅的制造成本较低,与读出电路的工艺兼容性好,因此黑硅光电探测器具有很好的发展潜力。

据麦姆斯咨询报道,近期,昆明物理研究所唐利斌正高级工程师课题组在《红外技术》期刊上发表了以“黑硅光电探测器材料与器件研究进展”为主题的综述文章。唐利斌正高级工程师主要从事光电材料与器件的研究工作。

这项研究首先简单介绍了黑硅材料的结构,然后讨论了基于飞秒激光刻蚀法、湿法腐蚀、反应离子刻蚀法等方法制备的黑硅材料的性质。其次概述了基于以上方法制备的不同黑硅光电探测器的结构及性能,并讨论了黑硅器件在不同领域的应用。最后对黑硅光电探测器技术进行了分析与展望,探讨了黑硅材料及器件未来的发展方向。


PIN型黑硅光电探测器 

PIN型黑硅光电探测器

飞秒激光法是指高能的飞秒激光聚焦到硅表面,使固态硅升华并与反应腔内的背景气体结合产生挥发性的气体,在不断地重复后,得到了表面微结构呈尖锥形的黑硅。飞秒激光法是目前使用最多的用来制备黑硅的方法,最常见的器件结构有n + /n 型、n + /p 型和PIN型。

黑硅光电探测器结构及性能图 

干法腐蚀制备的黑硅光电探测器结构及性能图


湿法腐蚀主要分为酸法腐蚀、碱法腐蚀以及电化学腐蚀。反应离子刻蚀法(reactive ion etching,RIE)是一种利用气体放电产生的具有活性的气体离子诱导材料表面发生化学反应的干法刻蚀技术。

综合飞秒激光法、反应离子刻蚀以及湿法腐蚀制备的黑硅光电探测器的研究进展,可以发现黑硅光电探测器件在反向偏压条件下才能获得较高的响应率,因此其应用受到了一些限制。对黑硅光电探测器的一系列研究,表明了黑硅器件具有很大的发展潜力,而SiOnyx公司发布的Aurora系列产品验证了黑硅CMOS工艺是当前实现微光探测的一条重要技术路线,并增进了其在民用市场领域的应用,进而表明了黑硅光电探测器具有广阔的应用前景。

黑硅光电探测器应用及效果图 

黑硅光电探测器应用及效果图:(a)和(b) CMOS成像效果;(c) 探测器结构阵列;(d) CMOS与CCD成像对比;(e)器件结构;(f)柔性黑硅光电探测器;(g) CMOS成像效果;(h) CMOS成像效果


未来黑硅光电探测器技术的重要研究方向可以包括以下几部分:

 1)可控的硅基材料重掺杂技术(掺杂浓度 ≥1×10 19 /cm 2 );

( 2)大面积硅基表面规则微纳吸光结构的可控制备技术;

( 3)硅基器件的焦平面探测工艺技术;

( 4)掺杂型硅基材料的波长拓展技术。


延伸阅读:

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》

 

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