黑硅作为兴起的一种新型硅材料,以其在可见光与近红外波段有极高的光吸收率，使其对光线十分敏感 ,它的光敏感度可以达到传统硅材料的 100 ～ 500 倍。在正常情况下 ,一个光子只能产生一个电子 ,而在黑硅这种材料中 ,由于它具备光电导增益效果,可以由一个光子产生多个电子, 从而使电流增大200 ～ 300 倍 ,使其在微光探测方面的性能较一般材料有着飞跃般的进步 ,并且黑硅的制造工艺可以较容易地嵌入到目前的半导体工艺中, 使其在照相机 、夜视仪等光电探测方面有着广阔的应用前景 。
目前国际上其通用的制备方式主要有两种 :飞秒激光器刻蚀和深反应离子刻蚀(DRIE)。其中 ,飞秒激光器刻蚀是SF6 环境下, 利用飞秒激光器产生的超短脉冲激光对硅片表面进行辐照,其激光脉冲的高能在与硅片表面作用的同时, 在表面附近积聚大量能量 , 能瞬间使背景气体SF6 分解出游离的 F-离子, 并与表面汽化的 Si 原子生成易挥发的 SiF2 和 SiF4 ,使硅片表面不断被刻蚀 ,最终形成准规则排列的微米量级尖锥结构 。这样改造后的硅表面具有极高的光吸收率 , 而反应离子刻蚀(RIE)的原理是利用一定压强下的刻蚀气体在高频电场的作用下 ,通过气体辉光发电产生等离子体(其中包含了大量的分子游离基团), 通过电场加速活性基团对被刻蚀物体进行离子轰击和化学反应 ,生成挥发性气体, 反应产物在低压真空腔中被抽走来实现对材料的刻蚀 ,最终在硅片表面得到与飞秒激光器刻蚀相似的微结构 ,从而制备所说的黑硅。目前这两种方式都比较成熟, 都能得到稳定的结果 ,但是这两种方式对反应条件要求苛刻 ,实验设备成本高昂 ,不利于大规模生产 。
采用两种湿法刻蚀相结合的方法制备黑硅材料，先利用 Si3 N4 充当掩膜层 ,用光刻的方式在硅片表面形成图案,然后通过 KOH 溶液对其进行刻蚀 , 在硅DOI :10.16652/j .issn.1004 -373x.2011.18.030片表面形成规则的尖锥形貌, 然后利用金纳米颗粒作为催化剂,用 HF 酸对经碱刻蚀后的硅片样品表面进行改性,以进一步提高其光吸收率 , 最终制备的黑硅的光吸收率可以达到 95 %以上 , 这种制备方法具有实验设备较简单,变量易控等优点 。
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