[发明专利]一种高吸收、宽光谱黑硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高吸收、宽光谱黑硅复合材料及其制备方法。包括对硅衬底进行黑硅化处理，得到黑硅，所述黑硅表面具有尖锥阵列；向黑硅表面溅射沉积TiN纳米颗粒。本发明利用“黑硅化”在传统硅表面形成均匀、大面积尖锥状黑硅结构；再利用“黑硅表面沉积TiN纳米颗粒”，使得黑硅表面微结构更加复杂，增加了光在黑硅尖锥间的反射次数，材料吸收率获得提升；同时通过磁控溅射，在尖锥状黑硅表面沉积TiN纳米颗粒，利用等离激元共振效应实现可见到红外波段光谱的拓宽。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种高吸收、宽光谱黑硅复合材料及其制备方法。

背景技术

随着近红外增强探测技术的迅猛发展，及其在遥感、预警、制导、夜视和医疗诊断等领域展现出独特的应用优势，受到了人们广泛的关注。而具有高吸收、宽光谱特性的材料是制备近红外增强探测器的基础。其中硅材料具有资源丰富、成本低廉、易于掺杂并且基于硅材料的半导体加工技术尤为成熟这一些优点，所以在硅基材料上实现高吸收、宽光谱将具有重要意义。

然而，硅材料一直存在着两个主要的问题：第一，硅材料的表面比较光滑，对入射光有着较高的反射率，从而使得硅基光电探测器的光吸收率不高，以至于探测器的响应性能不佳；第二，硅材料是间接带隙材料，有比较大的禁带宽度，对禁带宽度以下的光基本不吸收，由于这个问题，传统的硅基光电探测器在1310nm和1550nm这两个光通信窗口很难被使用。减小硅材料表面的反射率，同时拓宽硅材料在近红外的光谱吸收范围是很有必要的。为解决硅材料以上两个问题，目前多采用黑硅化的方法，制备的黑硅光电探测器的光电性能得到大大的改善，在近红外波段也可以有实际应用。近些年，又涌现出表面等离激元黑硅宽光谱吸收材料。如有研究利用反应离子刻蚀结合Au等离激元实现，但是这种等离激元黑硅材料对光的吸收率相对较低、材料的均匀性能不足；同时Au和Si形成的肖特基势垒较大，在一定光照下，在Au中形成的热电子进入半导体Si中困难，导致材料的量子效率不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题现有的黑硅化材料在近红外光谱吸收率较低、量子效率低。目的在于提供一种高吸收、宽光谱黑硅复合材料及其制备方法，以解决以上问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明的第一个目的在于提供一种高吸收、宽光谱黑硅复合材料的制备方法，包括：

对硅衬底进行黑硅化处理，得到黑硅，所述黑硅表面具有尖锥阵列；

向黑硅表面溅射沉积TiN纳米颗粒。

可选地，黑硅表面沉积的TiN纳米颗粒的尺寸为20nm-80nm。

可选地，所述硅衬底为电阻率为3000-6000Ωcm的本征硅。

可选地，采用飞秒激光法进行黑硅化处理。

可选地，所述硅衬底为进行处理的衬底，处理过程为：

采用RCA标准清洗法对硅衬底进行清洗；清洗完成后，

将清洗后的硅衬底置于氢氟酸溶液中浸泡清洗，超声冲洗，氮气气氛吹干。

可选地，所述黑硅化处理过程为：

将硅衬底放入真空腔内，抽真空，通入SF₆气体，保持腔内气体压强为1×10⁴Pa～10×10⁴Pa；

飞秒激光扫描刻蚀，条件为：光通量1kJ/m²～10kJ/m²，扫描速度1mm/s～10mm/s，扫描间距0.01mm～0.04mm，光斑半径0.04mm。

可选地，在溅射沉积前对黑硅进行清洗，清洗过程为：将黑硅置于氢氟酸中清洗，超声清洗，氮气吹干，得到黑硅样品。