纳米结构黑硅应用综述
硅是现代电子学的基石，但其高表面反射率和1.07 eV带隙限制了光子吸收，尤其是在1.1 μm以外的波段。黑硅——通过工程化制造纳米尖刺结构的硅——实现了从紫外到红外的宽带吸收，使其成为光电二极管、光探测器、太阳能电池等器件的理想材料。本文综述了黑硅的光学和电子优势，总结了关键应用，并讨论了规模化生产和材料质量方面的剩余挑战。 传统硅的反射率超过40%，严重限制了光电器件的效率。较大的带隙限制了其对1.1 μm以上波长的敏感度。黑硅最早于1995年通过反应离子刻蚀（RIE）制备，后经飞秒激光处理改进，呈现出微纳尖刺表面结构，能有效捕获光线并大幅降低反射率。激光照射过程中掺入硫、硒、碲等元素引入深能级施主，将吸收延伸至近红外（NIR）。这些特性使黑硅在光电探测和光伏领域超越传统硅，同时保持与CMOS工艺的兼容性。 微尖刺形貌与掺杂诱导的亚带隙态共同作用，将吸收率从1100 nm提升至2500 nm。激光参数——光斑大小、脉冲数、能量密度和扫描速度——控制尖刺几何形状和掺杂掺入。照射后退火可修复晶格损伤；但过高温度会导致类金属掺杂剂扩散，降低近红外吸收。最佳退火条件（约775 K，10–30分钟）在缺陷修复与掺杂保留之间取得平衡，保持高红外吸收率。图表展示了掺杂与未掺杂、退火时间对吸收率的显著影响。 a 微结构与非结构硅吸收率对比。 b S、Se、Te、N掺杂黑硅光谱。 c 退火时间对近红外吸收率的影响。 d 1550 nm处吸收率随激光脉冲数变化。 e 1.31 μm下微结构APD光电流。 f 不同退火温度下的I-V曲线。 黑硅光电二极管量子效率比体硅提高十倍以上，且不增加噪声或暗电流。在SF₆中经飞秒激光处理的（111）晶片，掺硫后制成的APD在≥900 V偏压下，于1.064和1.310 μm产生的载流子是普通器件的三倍。优化激光能量密度和退火（30分钟）可进一步提升响应度，如附图所示。 a 响应度随退火温度变化。 b 响应度随激光能量密度变化。 c 微结构与平面APD量子效率光谱对比。 d 100 μm微结构探测器I-V特性。 e 噪声功率谱密度随光电流变化。 f 250 μm直径器件在0–3 V反偏下的响应度。 黑硅将光谱响应范围扩展至250–2500 nm，在可见光和1.6 μm波段响应度比商用PIN光电二极管高十倍。SF₆制备经退火后量子效率最高，近红外增益归因于吸收增强而非新能带形成。器件在3 V偏压下，850 nm处达92 A/W，960 nm处达119 A/W，产生-复合增益约1200。霍尔测试证实表面载流子浓度高（~10¹⁸ cm⁻³），迁移率约100 cm² V⁻¹ s⁻¹。 飞秒激光纹理化硅吸收率超94%，优于传统金字塔或柱状结构。黑硅太阳能电池光生电流提升25–30%，转换效率达16.8%。关键性能驱动因素包括表面钝化抑制复合，以及优化刻蚀时间保持短波段内部量子效率（IQE）。对比研究显示黑硅器件短路电流密度比平面电池高出35%以上。 微尖刺形貌提供低启动场（~1.3 V/μm）和高电流密度（50 V/μm下达0.5 mA/mm²）。场发射在宽电压范围内稳定运行，使黑硅成为显示器、离子推进器和微波放大的理想材料。热退火虽降低发射率但保留发射特性。 激光结构化黑硅在亚带隙波长激发下表现出强光致发光（PL）。PL强度随激发功率次线性增长（γ≈0.44），表明通过缺陷态发生束缚-束缚复合。温度依赖研究显示120 K以上发生淬灭，符合非辐射途径热激活模型。 黑硅结合金纳米颗粒实现高灵敏度SERS，可芯片级检测尼罗蓝、罗丹明6G等分析物。纳米尖刺表面增强局部电磁场，在低分辨率下产生强拉曼信号。 通过调节飞秒激光能量密度，黑硅表面呈现超疏水性（接触角>130°）。该特性利于太阳能电池自清洁，减少灰尘积累，长期保持光学性能。 黑硅通过引入纳米尖刺表面，缓解了硅固有的高反射率、有限带隙和间接跃迁缺陷，增强吸收、降低反射并形成中间能带。这些优势转化为高效太阳能电池、灵敏近红外光探测器和鲁棒场发射器件。剩余挑战包括激光制备工艺的工业化产能提升，以及平衡缺陷修复与掺杂保留的退火协议优化。持续的工艺优化和器件集成研究将释放黑硅的全部商业潜力。 铝背表面场 雪崩光电二极管 电荷耦合器件 飞秒 内部量子效率 微型燃料电池 近红外 近/短波红外 光致发光 多孔硅 量子效率 反应离子刻蚀 快速热退火 超导纳米线单光子探测器摘要
背景
黑硅吸收率增强
黑硅应用
光电二极管
光探测器
太阳能电池
场发射
发光
表面增强拉曼光谱（SERS）
疏水表面
结论
缩略语
纳米材料