基于纳米级黑硅的高效双四象限近红外光电探测器

摘要

本文提出一种纳米黑硅新制备工艺：在HF气氛下，以纳秒脉冲激光烧蚀镀硒膜的高电阻硅，制备高光捕获硒掺杂黑硅材料。结果显示，退火前400–2200 nm波段平均吸收率达96.81%，600℃退火后仍保持81.28%。将新工艺制备的黑硅应用于双四象限光电探测器，在50 V反向偏压下，1060 nm处平均单位响应率为0.528 A/W，1180 nm处为0.102 A/W；内象限平均暗电流2 nA，外象限8 nA。基于近红外增强黑硅的双四象限光电探测器具备高响应率、低暗电流、快速响应、低串扰优势，适用于夜视探测、医疗等领域。

引言

与其他波段光电探测器相比[4-6]，近红外增强光电探测器[1-3]受限于近红外波段的响应范围、响应速率、暗电流和串扰，难以获得满意性能。自Carey 2005年开发首个黑硅红外探测器以来，基于黑硅材料的近红外光电探测器快速发展。Carey开发的黑硅性能远超单晶硅红外探测器。此后，研究者引入钝化技术降低黑硅探测器暗电流。凭借高吸收率和宽吸收光谱，黑硅[7-9]成为硅基近红外增强光电探测器首选材料。

作为半导体工业最重要材料之一，黑硅材料加工质量管控至关重要[10-14]。制备宽光谱、高吸收、低缺陷黑硅是高性能近红外光电探测器的关键。已有研究利用飞秒激光[15,16]在SF₆气氛[17,18]扫描制备黑硅，紫外至近红外波段吸收率超90%[19]。但高温退火后近红外区吸收率降至约50%。研究者发现Se和Te掺杂黑硅退火后吸收率下降显著低于S掺杂，但固体Se/Te膜掺杂工艺下制备的黑硅呈山丘状，光捕获效果不佳[20,21]。

本文提出纳米黑硅新制备工艺：在HF气氛下，以纳秒脉冲激光烧蚀镀硒膜高电阻硅，制备高光捕获硒掺杂黑硅。结果显示退火前400–2200 nm平均吸收率96.81%，600℃退火后维持81.28%。同时将新工艺黑硅用于双四象限光电探测器，50 V偏压下1060 nm响应率0.528 A/W，1180 nm为0.102 A/W，内象限暗电流2 nA，外象限8 nA。该探测器具高响应率、低暗电流、快速响应、低串扰优势，适用于夜视探测、医疗等领域。

方法

光电探测器制备与测试流程如下。首先制备黑硅材料：将N型高电阻硅片切割成5 cm×5 cm样品，标准清洗后氮气吹干。以99.99%纯度Se粉为蒸发源，真空镀膜机在Si样品表面沉积Se膜。飞秒激光蚀刻过程中引入HF气体，工艺参数：扫描速度1 mm/s；激光功率密度4.5 kJ/m²；HF气体压力9×10⁴ Pa。采用Spectra-Physics公司Ti:蓝宝石飞秒激光放大器。其次利用黑硅材料制备双四象限光电探测器，原理结构和具体制造工艺见图1、2。最后用场发射扫描电镜(SEM)表征黑硅形貌，近红外2500光纤光谱仪和积分球测试材料光谱特性。测试响应电流、暗电流特性、上升时间。测试中光源为Amonics波段激光器，暗电流通过加黑箱测量反向偏压下电流，响应时间通过示波器读取激光脉冲作用下光电流变化测定。

结果与讨论

本文在HF气氛下以纳秒脉冲激光烧蚀镀Se膜高电阻硅，制备高光捕获Se掺杂黑硅。一方面，Se涂层过饱和取代传统S掺杂硅，降低了退火对黑硅的影响。S原子扩出Si晶格速率快于Se，故退火效果差。另一方面，HF高温分解为H⁺和F⁻，F离子与飞秒激光高温烧蚀的硅材料反应生成易挥发SiF₄，材料表面持续蚀刻形成纳米锥体结构，有效降低黑硅反射率。表面钝化优化少数载流子寿命，降低黑硅缺陷密度和非必要载流子复合。飞秒激光蚀刻工艺简单可复现，黑硅阵列均匀性好，且能大幅降低带隙宽度。进一步研究气氛、激光功率、扫描速度对黑硅性能影响，可获得优化工艺流程。新工艺制备的黑硅退火后吸收显著提升。

利用新工艺黑硅制造双四象限光电探测器，原理结构见图1。探测器由感光层、隔离槽和黑硅层组成。感光面外径8 mm，内径2 mm，感光区由隔离槽分隔。该探测器可根据不同象限检测结果确定目标相对光轴的偏移量和方向，实现精准定位。

用商业软件COMSOL Multiphysics 5.4a模拟探测器响应电流、暗电流特性、上升时间和串扰特性，以设计最优结构。响应电流、暗电流、响应时间可由公式1-3获得。可见在面积、入射功率、材料参数确定时，响应电流、暗电流、响应时间主要与I层厚度和偏压相关，故重点模拟这些参数。

I_p = qP(1-R)/hv · (1 - e^(-αW)/(1+α√(Dτ))) + qP·D/√(Dτ) (1)

I_D = √(AqnW/2τ) + (2m/E_g)^(1/2) · (q³E·v/4π²ħ²) · A·exp(-4√(2mE_g³)/3qEħ) (2)

T = √((2.2t_RC)² + t_d² + τ_d²) (3)

其中P为入射功率，R为反射率，α为吸收系数，W为I层厚度，D为空穴扩散系数，τ为载流子寿命。E∝偏压，t_RC为电路时间常数（主要由等效电阻电容决定），t_d为扩散时间，τ_d为穿越时间。

反向偏压对上述参数影响见图3，偏压增大时响应电流和暗电流增加，上升时间缩短。因此需平衡响应电流、上升时间和暗电流随偏压增加的矛盾，按需求选择合适偏压。同理，决定探测器厚度的PIN结构I层厚度也进行模拟，结果见图4。图5给出隔离槽宽度对串扰率影响，宽度增至100 µm时串扰率基本稳定。根据模拟结果获得最优响应电流、暗电流、上升时间，器件参数见表1。

为实现高响应、快速响应、高稳定性，还优化了部分制造工艺[22-24]。首先设计隔离槽和阻挡环降低相邻感光区串扰。其次薄化抛光晶圆减小耗尽层厚度提高响应速度。第三，单步飞秒激光烧蚀制备黑硅是实现材料良好重复性和稳定性的关键。最后，黑硅层亚表面钝化处理降低调节表面缺陷态密度，减少光生载流子复合，实现高响应率。具体制造工艺见图2。最终器件图见图2j，I层厚度180 µm，PN层厚10 µm，P⁺为P型硅重掺B形成，N⁺为P扩散形成，接触电极热蒸发沉积。

图6展示高凹凸感光Se掺杂黑硅高温退火前后表面形貌和光电性能变化，工艺参数：扫描速度1 mm/s；激光功率密度4.5 kJ/m²；HF气压9×10⁴ Pa。可见退火前后纳米锥状黑硅阵列分布更均匀，无明显变化。吸收光谱方面，本文新工艺黑硅退火后平均吸收率达83.12%，远优于S掺杂黑硅退火后约50%的吸收率。进一步测试飞秒激光脉冲扫描速度对黑硅性能影响，结果见图7。速度降低时Se掺杂量持续增加，黑硅锥尖形貌更明显，吸收率更高。

根据Tauc绘图理论，可由吸收光谱变换获得材料带隙[25]：

F(R∞) ≈ A²/2R (4)

(hν·α)^(1/n) = K(hν - Eg) (5)

hν = 1239.7/λ (6)

(hν·F(R∞))^(1/2) = K(hν - Eg) (7)

其中A为光谱吸收，R为反射率。计算hv-(hvF(R∞))^(1/2)曲线一阶导数，获取拐点（一阶导数最大点），在此点作切线，切线与X轴交点横坐标为样品带隙。不同扫描速度黑硅等效带隙宽度见表2，随扫描速度降低、Se掺杂浓度增加，带隙宽度较传统硅1.12 eV降低，光谱带宽增加。

模拟不同带隙材料的双四象限光电探测器PIN结，结果见图8。带隙宽度减小时光电流吸收峰向近红外波段偏移。结合模拟结果、光电性能，可选择最优扫描速度。

同一模拟过程用于确定不同实验条件下的最优材料制备参数，如光功率密度和HF气压，见图9、10。

具体加工参数：扫描速度1 mm/s；激光功率密度4.5 kJ/m²；HF气压9×10⁴ Pa。上述参数下新工艺制备黑硅并制作双四象限光电探测器，实物图和测试结果见图11、表3、4，响应率测量采用2 mW光功率。结果显示：50 V反向偏压下，1060 nm平均单位响应率0.528 A/W，1180 nm为0.102 A/W，响应波段400-1200 nm，与模拟基本一致。平均光谱吸收率超90%，平均暗电流<8 nA（暗电流测量方法同前，实测值略大于模拟因感光区结深度均匀性不理想）。响应时间用示波器读取激光脉冲作用下光电流变化测定，平均上升时间<12 ns，符合模拟预期。因此本文制造的探测器不仅实现四象限精准定位，还保证宽检测波段、低暗电流、快速响应。

结论

本文提出黑硅新制备工艺：在HF气氛下以飞秒激光烧蚀镀Se膜高电阻硅，制备高光捕获Se掺杂黑硅。结果显示退火前400–2200 nm平均吸收率96.81%，600℃退火后维持81.28%。新工艺黑硅用于双四象限光电探测器，50 V偏压下1060 nm响应率0.528 A/W，1180 nm为0.102 A/W，内象限暗电流2 nA，外象限8 nA。基于近红外增强黑硅的双四象限光电探测器具高响应率、低暗电流、快速响应、低串扰优势，适用于夜视探测、医疗等领域。

数据与材料可用性

本研究使用或分析的数据集可向通讯作者合理请求获取。

缩略语

SEM:

扫描电镜

NIR:

近红外