微納雙重結(jié)構(gòu)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(diǎn)在半導(dǎo)體行業(yè)中有非常廣泛的應(yīng)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(gè)特點(diǎn)，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(diǎn)。黑硅是一種新型的硅材料，它的出現(xiàn)為克服這些缺點(diǎn)提供了基礎(chǔ)。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(dǎo)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(shù)和方法制備黑硅成為目前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。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(jié)構(gòu)黑硅制備技術(shù)，并圍繞微納雙重結(jié)構(gòu)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(gè)方面：
　　1.分別采用正交實(shí)驗(yàn)法優(yōu)化了氫氧化鉀堿腐蝕技術(shù)和金屬催化酸腐蝕技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)構(gòu)，這種納米孔結(jié)構(gòu)的存在，使微納雙重結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)硅以及微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅在250-2500nm波段范圍的光學(xué)性能。晶體硅表面在分別經(jīng)過微米結(jié)構(gòu)化、納米結(jié)構(gòu)化以及微納雙重結(jié)構(gòu)化后，對入射光的反射率都大量減少，其中微納雙重結(jié)構(gòu)

4、的減反射效果最佳，納米結(jié)構(gòu)次之，微米結(jié)構(gòu)最差。微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅對紫外-可見光的吸收率高達(dá)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(dá)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(jié)構(gòu)黑硅的電學(xué)性能，包括微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅的金-半接觸特性、微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅的載流子濃度和遷移率以及電阻溫度變化特性等進(jìn)行了測試研究。在退火前，晶體硅表面在經(jīng)過微納雙重結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)數(shù)值，且負(fù)數(shù)絕對值隨著納米結(jié)構(gòu)的腐蝕時(shí)間增加而逐漸增大，體現(xiàn)了微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅的電阻溫度系數(shù)的可調(diào)節(jié)性。當(dāng)腐蝕時(shí)間為7分鐘時(shí)，微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅在35-50℃的平均電阻溫度系數(shù)為-3.01%，這個(gè)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(dǎo)體-金屬（MSM）這種橫向表面型器件結(jié)構(gòu)，利用反轉(zhuǎn)膠-剝離的方法制作了基于微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅的光電探測器，制備得到的叉指電極邊緣整齊、粗細(xì)均勻，而且叉指寬度和間距與設(shè)計(jì)尺寸一致。對具有不同納米結(jié)構(gòu)化時(shí)間以及不同叉指尺寸的微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅MSM探測器的光電響應(yīng)特性進(jìn)行了測試與分析。微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅MSM探測器的暗電流-電壓曲線在某一電壓附近具有負(fù)微分電阻效應(yīng)，與微納雙重結(jié)構(gòu)中納米結(jié)構(gòu)的量子隧穿效應(yīng)有關(guān)。微納雙重結(jié)構(gòu)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(gè)數(shù)量級(jí)，在5V偏壓下，該器件的暗電流密度為3.6μA/cm2。微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅MSM探測器的響應(yīng)度隨著納米結(jié)構(gòu)化時(shí)間的增加以及叉指電極尺寸的優(yōu)化逐漸增大，當(dāng)腐蝕時(shí)間為5分鐘，叉指尺寸為5:10時(shí)，微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅MSM探測器的響應(yīng)度達(dá)到0.72A/W。
　　5.利用MEDICI軟件對基于微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅的MSM探測器和PIN探測器的光

8、電響應(yīng)特性進(jìn)行了建模與仿真，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比證實(shí)了MEDICI軟件對微納雙重結(jié)構(gòu)黑硅光電響應(yīng)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(jié)構(gòu)黑硅MSM探測器的峰值響應(yīng)波長都為760nm，峰值響應(yīng)度分別為0.89A/W和1.35A/W，峰值響應(yīng)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(jìn)行了1μm的微納雙重結(jié)構(gòu)化后，探測器對800nm入射光的飽和光電流由1.9μA