1 昆明物理研究所, 云南 昆明 650223
2 云南大学 材料与能源学院, 云南 昆明 650500
3 云南省先进光电材料与器件重点实验室, 云南 昆明 650223
黑硅作为一种新型光电材料, 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技术备受关注, 近些年来也取得了重要的研究进展。本文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。
黑硅 光电探测器 研究进展 black silicon, photodetectors, research progress
采用基于硝酸/氢氟酸/磷酸/硫酸混合液的湿法腐蚀工艺, 实现了高吸收效率的黑硅结构的制备与工艺集成, 获得了具有近红外响应增强效果的黑硅PIN光电探测器, 并与未集成黑硅的PIN光电探测器的性能参数进行了对比测试。测试结果显示, 黑硅光电探测器在1060nm波长下的响应度达到0.69A/W(量子效率80.7%), 较未集成黑硅的器件提高了116%; 黑硅探测器暗电流小于8nA, 响应时间小于8ns, 电容小于9pF, 与未集成黑硅的器件相当。得益于工艺兼容性, 所采用的黑硅技术具有广泛应用于硅基近红外PIN, APD, SPAD, SPM等光电探测器的潜力, 可显著提高器件的响应率、量子效率、响应速度、击穿电压温度系数等性能。
黑硅 近红外响应增强 光电探测器 湿法腐蚀 暗电流抑制 black silicon near infrared enhancement photodetector wet etching dark current suppression
1 电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054
2 中国电子科技集团第四十四研究所，重庆 400060
3 中国电子科技集团第二十四研究所，重庆 400060
本文报道了一种基于黑硅微结构的全硅PIN光电探测器。该器件结合了黑硅结构宽光谱高吸收的特性，以及PIN光电探测器高量子效率高响应速度的特点，通过在传统硅PIN光电探测器结构的基础上增加黑硅微结构层，在不影响响应速度的条件下，提高了探测器在近红外波段响应特性。并且针对纵向结构垂直入射PIN光电探测器时量子效率与响应速度相矛盾的问题，提出了解决方案。测试结果表明，该器件的量子效率可达80%，峰值波长为940 nm，光响应度达到0.55 A/W，暗电流降至700 pA，响应时间为200 ns。
全硅PIN光电探测器 黑硅 量子效率 光响应度 响应速度 暗电流 all-silicon PIN photodetector black silicon quantum efficiency light responsivity responding speed dark current
电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都 611731
为解决主流太赫兹成像技术在成像速度、分辨力、清晰度以及制造成本等方面存在相互制约的问题，提出一种基于光控型空间调制器的太赫兹波快速成像技术。这一技术利用新型硅基太赫兹调制材料与数字微镜阵列器件 (DMD)的集成，实现了基于单像素太赫兹探测器的快速成像，进一步分析了太赫兹波束分布特性和高斯背景对成像效果的影响，并提出了有效的优化方法。实验结果证实这种新型技术能够显著提高成像分辨力和清晰度。
太赫兹波 成像技术 空间调制器 单像素探测器 黑硅 terahertz wave imaging technology spatial modulator single-pixel detector black silicon 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(3): 351
南开大学弱光非线性光子学教育部重点实验室, 物理科学学院&泰达应用物理研究院, 天津 300071
基于过饱和掺杂硅材料制备的光电探测器表现出低电压高增益、可见光到近红外波段宽光谱响应等优点,主要介绍了飞秒激光过饱和掺杂的作用机制,以及相应硅基光电探测器的国内外研究进展,具体讨论了如何提升器件响应、抑制暗电流、改善材料晶格质量、提升载流子输运能力等问题,介绍了器件在柔性光电子领域的应用拓展,并展望了飞秒激光过饱和掺杂硅基光电探测器的发展前景。
激光光学 飞秒激光 黑硅 过饱和掺杂 光电探测器 激光与光电子学进展
2020, 57(11): 111430
玉林师范学院物理科学与工程技术学院 复杂系统优化与大数据处理广西高校重点实验室, 广西 玉林 537400
黑硅是一种能大幅提高器件光电转换效率的新型电子材料, 微纳混合结构黑硅是一种比普通黑硅材料更高效的新型黑硅材料, 如何制备出大面积、形貌特征好、表面洁净度高的黑硅材料是制备高效的黑硅太阳能电池的前提。首先, 利用湿法腐蚀方法, 通过设计合适的反应固体装置和良好的工艺控制手段, 在金字塔硅表面制备了大面积的微纳混合结构黑硅; 然后, 对其制备的关键工艺技术进行了研究讨论。实验结果表明, 该方法制备的微纳混合结构黑硅具有形貌特征好、表面洁净度高和低表面反射率等特征。有效去除表面银沉积物后, 该黑硅在300～1 100 nm范围内的加权平均反射率低至4.06%。该制备工艺方法适用于大面积高效微纳混合结构黑硅的规模制备, 在高效黑硅太阳能电池领域具有重要的应用价值。
金字塔结构 微纳混合结构 黑硅 太阳能电池 pyramid structure micro-nano structure black silicon solar cell
1 重庆光电技术研究所, 重庆 400060
2 中国人民解放军驻重庆气体压缩机厂军事代表室, 重庆 400060
利用无掩模反应离子刻蚀法制备黑硅, 研究了黑硅微结构密度和高度对其光学特性的影响。采用场发射扫描电子显微镜和带积分球的紫外-可见-近红外分光光度计分别表征黑硅微结构形貌和光学特性。研究结果表明, 黑硅微结构密度增大和高度增加, 则黑硅吸收率增大, 高度较大的微结构更加有利于增强黑硅近红外光吸收。无掩模反应离子刻蚀法制备的黑硅的吸收率在高温退火过程中保持稳定。
黑硅 微结构 光学性能 black silicon micro-structure optical property
南京航空航天大学 材料科学与技术学院, 江苏省能量转换材料与技术重点实验室, 南京 210016
结合反应离子刻蚀法和掩膜法在n型硅片表面制备出圆锥状结构黑硅, 利用湿法氧化法在硅片表面氧化出一层超薄SiOx, 采用磁控溅射法在其表面沉积一层掺锡氧化铟(IndiumTinOxide, ITO)薄膜, 在黑硅衬底上制备出ITO/SiOx/n-Si太阳电池。通过硅片表面纳米结构, 增加光吸收, 进而提高电池转化效率。研究结果表明, 在不同衬底温度下沉积ITO时, 薄膜都呈现出了良好的光学和电学性能.250 ℃时, ITO薄膜性能最优, 在400~1 000 nm波长范围内, 平均透过率达到93.1%, 并展现出优异的电学性能.通过优化H2O2预处理时间, 减小了SiOx层中氧空位缺陷, SIS电池短路电流得到明显提高, 从未处理前的26.84 mA/cm2提升到经H2O2处理15 min后的34.31 mA/cm2.此时, 电池性能最优, 转化效率达到3.61%.
光电材料 太阳能 磁控溅射 SIS太阳电池 黑硅 ITO薄膜 H2O2预处理 光电转化效率 Electro-optical materials Solar energy Magnetron sputtering SIS solar cell Black silicon ITO film H2O2 pretreatment Photoelectric conversion efficiency 光子学报
2017, 46(11): 1116002
1 中北大学 电子测试技术国防重点实验室, 太原 030051
2 北京宇航系统研究所, 北京 100076
3 首都航天机械公司, 北京 100076
针对目前气体传感器灵敏度较低的问题, 设计了一种利用黑硅作为辐射层并且连接放大电路和控制芯片的红外光源传感器系统。首先介绍了红外光源的制造和仿真以及新型的纳米材料黑硅, 黑硅的引入可以使光源的辐射效率提高40%; 然后完成了传感器系统外围电路的设计, 包括电源驱动电路、二级滤波放大电路和中央处理器等; 最后对所设计的系统进行了测试, 测试结果表明, 该系统能有效提升气体传感器的敏感度, 符合设计要求。
黑硅 辐射层 红外光源 气体传感器 black silicon radiation layer infrared light gas sensor
