微納雙重結構黑硅的制備及光電特性研究.pdf

1、晶體硅由于易提純，易摻雜，耐高溫等優(yōu)點在半導體行業(yè)中有非常廣泛的應用，然而由于晶體硅的反射率高和對近紅外光的吸收率低這兩個特點，使基于晶體硅的傳統(tǒng)光電探測器具有靈敏度低以及不能探測近紅外光等缺點。黑硅是一種新型的硅材料，它的出現(xiàn)為克服這些缺點提供了基礎。然而采用傳統(tǒng)的高能飛秒激光輻射的方法制備黑硅具有成本高昂、難以大面積生產(chǎn)以及與現(xiàn)有的半導體集成電路制造工藝不兼容等缺陷，因此采用其他的新技術和方法制備黑硅成為目前研究的重點和熱點。本文以

2、此為背景，提出了一種基于兩步濕法腐蝕的微納雙重結構黑硅制備技術，并圍繞微納雙重結構黑硅的制備與光電性能分析開展了大量的研究工作，主要包括以下幾個方面：
　　1.分別采用正交實驗法優(yōu)化了氫氧化鉀堿腐蝕技術和金屬催化酸腐蝕技術的工藝參數(shù)。通過堿腐蝕工藝前在硅片表面制備大小相等、排列規(guī)則的氮化硅圓掩膜陣列，得到在堿腐蝕處理后的硅片表面排列規(guī)則、大小相等的四面體尖錐陣列，這種尖錐陣列的存在，使得最終制備的微納雙重結構黑硅具有較好的規(guī)則性和

3、均勻性，為單元探測器以至陣列探測器的制備提供了有利的條件。通過控制酸腐蝕工藝的腐蝕時間，可以在硅片表面得到具有不同的孔直徑和孔深度的納米孔結構，這種納米孔結構的存在，使微納雙重結構黑硅具有了更好的減反射和增吸收的性質(zhì)。
　　2.測試和比較了晶體硅、微米和納米結構硅以及微納雙重結構黑硅在250-2500nm波段范圍的光學性能。晶體硅表面在分別經(jīng)過微米結構化、納米結構化以及微納雙重結構化后，對入射光的反射率都大量減少，其中微納雙重結構

4、的減反射效果最佳，納米結構次之，微米結構最差。微納雙重結構黑硅對紫外-可見光的吸收率高達98％，比晶體硅在此波段的吸收率平均值高50%；對波長大于1100nm的近紅外光的吸收率高達30%，比晶體硅在此波段的吸收率平均值高28%。
　　3.對微納雙重結構黑硅的電學性能，包括微納雙重結構黑硅的金-半接觸特性、微納雙重結構黑硅的載流子濃度和遷移率以及電阻溫度變化特性等進行了測試研究。在退火前，晶體硅表面在經(jīng)過微納雙重結構化以后，與金屬鋁

5、電極的接觸特性有所改善。在退火后，晶體硅和微納雙重結構黑硅與鋁電極的接觸特性都有了不同程度的改善。晶體硅表面經(jīng)過微納雙重結構化以后，載流子濃度和遷移率有所下降，電阻溫度系數(shù)由正數(shù)值變成了負數(shù)值，且負數(shù)絕對值隨著納米結構的腐蝕時間增加而逐漸增大，體現(xiàn)了微納雙重結構黑硅的電阻溫度系數(shù)的可調(diào)節(jié)性。當腐蝕時間為7分鐘時，微納雙重結構黑硅在35-50℃的平均電阻溫度系數(shù)為-3.01%，這個數(shù)值優(yōu)于目前大多數(shù)熱敏探測材料的熱敏特性。
　　4.

6、采用金屬-半導體-金屬（MSM）這種橫向表面型器件結構，利用反轉膠-剝離的方法制作了基于微納雙重結構黑硅的光電探測器，制備得到的叉指電極邊緣整齊、粗細均勻，而且叉指寬度和間距與設計尺寸一致。對具有不同納米結構化時間以及不同叉指尺寸的微納雙重結構黑硅MSM探測器的光電響應特性進行了測試與分析。微納雙重結構黑硅MSM探測器的暗電流-電壓曲線在某一電壓附近具有負微分電阻效應，與微納雙重結構中納米結構的量子隧穿效應有關。微納雙重結構黑硅MSM探

7、測器的暗電流較大，通過在鋁與硅之間增加一層100nm厚的SiNX薄膜，可使器件的暗電流下降至少兩個數(shù)量級，在5V偏壓下，該器件的暗電流密度為3.6μA/cm2。微納雙重結構黑硅MSM探測器的響應度隨著納米結構化時間的增加以及叉指電極尺寸的優(yōu)化逐漸增大，當腐蝕時間為5分鐘，叉指尺寸為5:10時，微納雙重結構黑硅MSM探測器的響應度達到0.72A/W。
　　5.利用MEDICI軟件對基于微納雙重結構黑硅的MSM探測器和PIN探測器的光

8、電響應特性進行了建模與仿真，仿真與實驗結果的對比證實了MEDICI軟件對微納雙重結構黑硅光電響應特性的仿真可行性。在5V的偏壓下，叉指尺寸為5:10和2:10的微納雙重結構黑硅MSM探測器的峰值響應波長都為760nm，峰值響應度分別為0.89A/W和1.35A/W，峰值響應度在使用透明叉指電極后分別提高至1.31A/W和1.61A/W。晶體硅PIN探測器表面進行了1μm的微納雙重結構化后，探測器對800nm入射光的飽和光電流由1.9μA