▌NIR2500 在黑硅光電探測器研究中的應用對金屬輔助化學刻蝕形成的納米結構黑硅光電探測器進行可見近紅外寬譜表征
MCE 黑硅 光電探測器 吸收光譜 近紅外光譜
【概述】2016 年 7 月，一篇發表于 Nanoscale Research Letters，題為《The Enhanced Light Absorptance and Device Application of Nanostructured Black Silicon Fabricated by Metal-assisted Chemical Etching》的文章報道了一種金屬輔助化學刻蝕（Metal-assisted Chemical Etching，MCE）方法形成的納米結構黑硅探測器。
圖1，基于黑硅的 Si-PIN 探測器的真實圖片及結構圖
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黑硅對光的高吸收性質是人們對 硅基紅外探測器 研究的基礎。作者利用 MCE 的方法來制備黑硅，然后利用黑硅制造 Si-PIN 光電探測器（圖1），并研究其性能。這種光電探測器展現了比較高了響應（0.57A/W@1064nm, 0.37A/W@1100nm）及較強的寬譜段吸收能力（400~2500nm, 95%）。證實了由 MCE 制造的納米結構黑硅在近紅外光電探測器上具有潛在的應用前景。
【樣品 & 測試】文章中，作者使用 SEM 觀察了樣品在不同刻蝕時間下的形貌，圖2a 為利用 MCE 方法刻蝕 15min（左圖）及 60min （右圖）時的黑硅納米陣列的 SEM 圖?？涛g后，硅襯底上會覆蓋垂直的納米錐狀陣列。通過不同的沉積和刻蝕時間可以很好的控制硅納米陣列的形態?？涛g 60min 時，納米錐狀結構顯示了比較理想的長寬比，直徑和長度約為 100nm 和 2.5μm。
圖2，不同刻蝕時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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文中樣品的光學特性是通過復享光學的 反射/吸收光譜測量系統 測得（圖3）。由于樣品表面高低不平的硅納米陣列，其對于光的反射明顯受到抑制（圖2b），納米結構的 C-Si 的反射率明顯低于普通的 C-Si 的反射率，且刻蝕時間越長，反射率越低。此外，與普通的 C-Si 相比，納米結構的 C-Si 顯著增強了 400~2500nm 波長范圍內的光吸收，尤其在近紅外波段（圖2c）?？涛g 60min 的樣品具有*高的吸收率，在 NIR 波段（800~2500nm）*高可達 95%，平均吸收率（400~2500nm）達到 91%。這種在 400~2500nm 波長范圍內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，文獻對復享反射/吸收光譜測量系統相關產品的標注
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對于探測器的響應特性，則是使用電學手段測量獲得的。將基于黑硅制造的 Si-PIN 光電探測器與其他兩個探測器進行比較（濱松的 S1336-44BK 和文獻報道的同等探測器）。結果表明，基于上述方法制造的 Si-PIN 光電探測器顯著提高響應率，且響應峰值約有 80nm 的紅移，在近紅外波段，響應達到了 0.57A/W@1064nm、0.37A/W@1100nm。
【總結】文章報道了一種基于金屬輔助化學刻蝕方法的納米結構黑硅光電探測器的制備方案，并對其性能進行驗證。實驗證實，這種方案制造的黑硅光電探測器展示了優良的設備性能，響應率可達 0.57A/W@1064nm 及 0.37A/W@1100nm，*大光學吸收可達 95%（800~2500nm），平均光學吸收可達 91%（400~2500nm）。上述方案是對光學工程中硅材料性能的基礎研究，為實現硅材料的高吸收和寬譜段響應、黑硅光電探測器及其他新型器件提供了一個可行的策略。▌
【參考文獻】
? 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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