나노구조 블랙실리콘의 적용 검토

블랙실리콘 적용

포토다이오드

블랙 실리콘은 전통적인 접합 광검출기 아키텍처에서 사용할 수 있습니다. 적외선 파장 스펙트럼 근처에서 측정된 양자 효율은 기존의 실리콘 광검출기보다 10배 이상 높으며 전자는 검출기의 노이즈 및 기타 매개변수 측면에서 심각한 저하가 없습니다. 광대역 광학 스펙트럼에서 높은 흡수율로 높은 반응성을 갖는 블랙 실리콘 포토다이오드는 여러 그룹에서 실현되었습니다[1, 10,11,12,13].

C. Wu는 SF₆에서 800nm ​​중심 파장과 100펄스의 fs 레이저로 (111) 방향의 실리콘 웨이퍼를 조사하여 생산되는 흑색 실리콘으로 미세 구조의 APD를 제작했습니다. [1]. 그림 1e에서 볼 수 있듯이 900V 이상의 바이어스에서 미세 구조 영역에서 생성된 포토캐리어 생성은 1.064 및 1.310μm에서 비정형 영역보다 최소 3배 이상 많습니다. 황 함유 분위기에서 fs 레이저 조사를 사용하여 James E. Carey는 가시광선 및 근적외선 신호를 감지하는 고반응성 실리콘 기반 포토다이오드를 제작했습니다[11]. 포토다이오드의 광전류 및 응답 성능은 기판 도펀트, 레이저 플루언스, 열 어닐링 시간 및 온도와 같은 처리 조건에 크게 의존합니다. 측정 결과는 그림 1f와 그림 2a, b에 나와 있습니다.

아 각 샘플에 대해 다른 어닐링 온도에 따른 감광도는 30분입니다. ㄴ 다른 레이저 플루언스에 따른 감광성. ㄷ 양자 효율은 미세 구조 및 구조화되지 않은 영역을 포함하는 APD의 파장에 따라 다릅니다. d 100μm 직경의 미세구조 블랙실리콘 광검출기의 전류-전압 특성[12]. 이 3V의 역 바이어스 전압을 인가했을 때의 전류 잡음 전력 밀도 대 광전류. f 0, 1, 2, 3V의 역 바이어스가 인가된 250μm 직경의 검은색 실리콘 장치에 대한 응답성 [12]

최적화된 블랙 실리콘 샘플은 가시광선 및 근적외선 파장에서 상용 실리콘 포토다이오드보다 거의 2-5배 높은 높은 반응성을 나타냅니다. 최적화된 레이저 매개변수를 사용하여 R. Torresa는 검은색 실리콘 샘플의 전면을 수정하고 3D p ⁺ 를 만들었습니다. 붕소 주입을 달성하기 위해 Plasma Immersion Ion Implantation 기술을 사용하여 접합[12]. 질감이 없는 표면적과 비교하여 질감이 있는 장치는 광전류가 57% 증가하는 것으로 나타났습니다. 기존의 실리콘 PIN 포토다이오드는 1.1μm 이상의 빛에 대한 흡수 능력이 좋지 않습니다. 따라서 두 가지 기본 통신 파장인 1.3 및 1.55μm를 감지하는 데 사용할 수 없습니다. Aoife M. Moloney에 따르면 1.1μm 또는 장파장에서 흑색 실리콘 표면에 50%의 과도한 반응성 증가 증가가 존재한다는 것이 확인되었습니다[13]. 한편, 블랙 실리콘 포토다이오드의 문턱 전압은 표준 실리콘 기반 다이오드보다 낮다. 블랙 실리콘 표면과 실리콘 기판 사이에 형성된 두 번째 포토다이오드 접합의 존재는 낮은 임계 전압에 주요 기여를 했습니다.

또한 Richard A. Myers는 실리콘 기반 APD 및 APD 어레이의 레이저 미세 구조를 보고했습니다[5]. 고온 확산로에서의 붕소의 깊은 확산을 포함한 일련의 사전 구조화된 제조 공정을 사용하여 최종 ~ 250μm 두께의 장치 구조 아래에 50~ 60μm p-n 접합을 얻었습니다. 어닐링 후 사전 구조화 장치의 응답성은 근적외선 파장에서 구조화되지 않은 실리콘 기반 APD보다 2~3배 높습니다. 또한, 다른 성능 특성에서 관찰된 열화는 없습니다. 그들은 또한 근적외선 파장에서 증가된 반응성이 대기에 기인할 수 있음을 보여주었습니다(SF₆에서 최고 ) 및 어닐링. 그러나 특히 900nm 미만의 파장에서 양자 효율(QE)의 감소는 그림 2c와 같이 추가적인 고온 어닐링으로 완화될 수 있습니다.

P. Agarwal et al. 은 30nm 미만의 직경을 달성하기 위해 완전히 VLSI 호환 에칭 기술로 제작된 매우 재현성 있는 내장형 실리콘 나노와이어 p-n 접합 다이오드를 시연했습니다[14]. 역바이어스에서 적용된 이종접합 다이오드는 직경과 항복 전압 사이에 강한 관계를 보여주는데, 이는 그림 1-2에 표시된 것처럼 주변 유전 영향으로 인한 것일 수 있습니다. 5b, c.

광검출기

반도체 산업에서 실리콘이 널리 사용되면서 적외선 영역에서 실리콘 기반 광검출기의 반응성을 향상시키는 데 많은 관심이 쏠리고 있습니다. 블랙 실리콘을 사용하면 250~2500nm 범위의 높은 흡수율로 인해 가시광선 및 근적외선 파장 모두에 대해 실리콘 기반 광검출기 장치를 제작할 수 있습니다[15]. 일부 검은색 실리콘 장치의 스펙트럼 응답성은 가시광선에 사용되는 실리콘 재료를 기반으로 하는 상용 PIN 포토다이오드보다 거의 10배 더 큽니다.

검정 실리콘 검출기의 반응성은 어닐링 온도, 도펀트 및 배경 가스를 포함한 다양한 요인을 가진 여러 팀에서 조사했습니다. J. E. Carey는 fs 레이저 조사 블랙 실리콘을 사용하여 실리콘 기반 포토다이오드를 제작했습니다[16]. 검은색 실리콘 감지기의 감도는 가시광선 및 1650nm 파장에서 실리콘을 기반으로 하는 상용 PIN 포토다이오드보다 10배 더 높습니다. Richard A. Myers에 따르면 서로 다른 조건에서 열처리된 미세 구조 실리콘 APD 검출기의 응답성은 근적외선 파장에서 향상되었습니다[5]. 다른 배경 가스를 사용하여 결과는 황 분위기에서 처리된 블랙 실리콘이 어닐링 후 가능한 가장 높은 QE를 나타냄을 보여주었습니다. 또한 장파장에서 미세 구조 APD 검출기의 향상된 반응성은 향상된 흡수의 결과이며 레이저 처리 중에 생성되는 추가 에너지 대역과 아무 관련이 없음을 보여줍니다.

전체 흡수가 증가함에 따라 단파장 복사에 대한 응답의 감소가 검출기에서 관찰되었으며, 이는 대부분의 전하 캐리어가 더 깊은 영역에서 수집되지만 표면 근처 영역에서는 수집되지 않음을 나타냅니다. 열 어닐링으로 후처리된 1064nm에서 제작된 APD 어레이의 QE는 노이즈, 이득 또는 기타 전기적 성능 저하 없이 최대 58%로 얻어졌습니다. 또한 이러한 실험 결과는 근적외선에서 증가된 흡수가 전하 캐리어의 수집 개선에 주요 기여함을 보여주었습니다.

SF₆의 fs 레이저 수정 실리콘 사용 가스에서 3V 바이어스에서 측정된 광검출기는 각각 850nm에서 92A/W 및 960nm에서 119A/W의 높은 광응답을 나타냈습니다[17]. 미세 구조의 실리콘 광검출기는 파장이 1.1μm 이상인 경우에도 여전히 강한 광응답을 나타냅니다. 이러한 검출기의 광반응은 생성-재조합 이득 메커니즘으로 설명될 수 있습니다. 노이즈 전류 밀도 측정 결과에서 계산된 이득은 3V 바이어스에서 약 1200이었습니다. 표면층의 홀 측정 결과 기판보다 미세구조 영역의 전자 농도가 높았고 전자 이동도는 100cm ² 정도였다. V ^{− 1} s ⁻¹ , 그림 2d와 같이. 그림 2d에 따르면 1V 및 3V의 역 바이어스 전압에서 암전류는 직경 100μm 장치에 대해 각각 1.3 및 2.3μA였습니다. 값은 동일한 전압에서 순방향 바이어스에서 측정된 암전류보다 10배 낮은 값이었습니다. 광전류가 증가하는 동안 노이즈 전력 밀도는 그림 2e[17]와 같이 선형적으로 증가합니다.

그림 2f는 0, 1, 2, 3V 역 바이어스에서 0.60~1.30μm의 파장에 대한 응답도를 보여줍니다[17]. 흑색 실리콘의 반응성은 파장에 따라 단일 혹으로 변하는 것과 마찬가지로 파장에 따라 QE가 변한다는 것이 분명합니다(그림 3a[18] 참조). M. U. Pralle은 SiOnyx, Inc.가 CMOS 센서를 위한 새로운 실리콘 처리 기술을 이용했다고 보고했습니다[18]. 이 기술은 기존 실리콘 기반 검출기의 스펙트럼 감도를 근적외선/단파 적외선(NIR/SWIR)으로 확장하여 디지털 야간 투시 기능에 대한 흥미로운 성능을 제공합니다. 박막의 QE는 분광 감도가 400~1200nm에서 측정되었을 때 기존 이미징 센서의 QE의 10배입니다. 블랙 실리콘 CMOS에서 940nm에서 양자 효율은 68%이고 바이어스 전압 10mV에서 암전류는 140pA/cm2입니다. ² , 응답 시간은 10ns입니다.

아 태양광 모드에서 측정된 검정색 실리콘 포토다이오드(빨간색)와 상용 CCD 이미징 센서(파란색)에 대한 EQE 성능[17]. ㄴ IQE 및 c 평면 실리콘 기반 태양 전지 및 블랙 실리콘 태양 전지에 대한 R 측정. d 기존 태양전지와 SiNW 어레이로 만든 블랙실리콘 태양전지의 전류-전압 곡선[23]. 이 다양한 전위차에 대한 전류-전압 성능. 여기서 양극-음극의 간격은 20μm입니다[36]. 에 서로 다른 흑체 소스 온도에 따른 방사율 대 파장 [37]

주변 가스의 칼코겐은 높은 농도로 형성된 실리콘 표면에 주입되어 통합되어 광반응에 효율적으로 영향을 미칩니다[18]. SF₆의 경우 , 유황 공여체의 통합은 높은 감광성을 달성하는 데 매우 중요합니다. 셀레늄과 텔루르가 결합된 장치도 높은 광 반응성을 얻는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 공기, 질소, 수소와 같은 다른 가스가 실리콘 표면에 주입되어 장치의 반응성이 좋지 않습니다.

James E. Carey는 IR 센서에 흑색 실리콘을 적용했다고 보고했습니다[19]. 블랙 실리콘은 실온에서 효율적이고 높은 광전도 이득을 나타내며 NIR에서 최대 100A/W 이상의 반응성을 보입니다. 실리콘의 반사율을 크게 줄여 NIR 및 SWIR 영역에서 많은 빛을 흡수할 수 있을 뿐만 아니라 검출기가 1000~1200nm에서 높은 광응답을 보이도록 합니다. 그리고 반응성은 상업용 게르마늄이나 InGaAs 검출기보다 100배 더 높습니다. M.G. Tanner et al. 는 830~1700nm 범위의 작동 파장에서 산화된 실리콘 기판을 기반으로 패키지된 NbTiN SNSPD(초전도 나노와이어 단일 광자 검출기)를 제작했습니다[20]. 이 광학 아키텍처는 1550nm와 같은 중요한 대체 파장 신호를 감지하는 데 최적화될 수 있습니다.

태양 전지

미세 질감 표면 형태의 독특한 빛 포획 효과는 실리콘의 가시적 흡수를 크게 향상시켜 태양 ​​전지뿐만 아니라 Vis-NIR 광검출에 잘 사용됩니다. M. Halbwax는 부식성 가스가 없는 fs 레이저를 사용하여(진공 상태에서) 다양한 나노조직화 방법을 사용하여 광전지용 마이크로 및 나노구조 실리콘을 준비했습니다[21]. 그리고 결과는 광전류가 레이저 수정 영역에서 ~ 30% 증가했음을 보여줍니다. 이 연구에서는 fs 레이저를 사용하여 실리콘 웨이퍼를 조명하여 국부적으로 나노구조의 숲(1mm ² ). 레이저 구조화 후, 샘플은 P-n 접합을 형성하기 위해 플라즈마 침지 기술(PULSION 도구, IBS에서 개발)을 사용하여 붕소 요소로 주입된 후 급속 열 어닐링(RTA) 처리가 뒤따릅니다. 스파이크 구조의 실리콘 웨이퍼의 흡수는 94%에 도달하여 펭귄 모양, 기둥 및 피라미드와 같은 다른 구조의 흡수율보다 훨씬 높으며 평평한 실리콘 웨이퍼의 흡수조차도 65%에 불과합니다. 수정되지 않은 실리콘 샘플의 평균 광전류는 약 15nA 이하입니다. 그러나 처리된 실리콘 시료의 광전류는 19~21nA 범위로 광전류가 25~30% 향상되었음을 나타냅니다. 블랙 실리콘 기반 셀의 내부 양자 효율(IQE)에 영향을 미치는 몇 가지 요인이 있습니다. M. Halbwax에 따르면 레이저 텍스처 태양 전지의 IQE 성능은 최적화되지 않은 반사뿐만 아니라 표면 재결합에 의해서도 제한을 받습니다[21]. 그리고 후자는 큰 표면 때문에 중요해집니다. 이러한 현상은 다른 보고된 논문에서도 나타난다[22, 23]. 그림 3에서 볼 수 있듯이 Hao-Chih Yuan에 따르면 IQE에 의해 입증된 결과는 에칭 시간에 의해 크게 영향을 받았습니다[24]. 그들은 각각 단면 블랙 실리콘 웨이퍼와 양면 폴리싱 평면 Si 웨이퍼를 기반으로 태양 전지를 제작했습니다. 그런 다음 실제 표준 공정을 사용하여 인 확산 전면 측 에미터와 알루미늄 후면 전계(Al-BSF)를 생성했습니다. 블랙 실리콘의 에칭 시간이 증가함에 따라 IQE는 단파장에서 크게 감소합니다. 이 현상은 주로 나노구조의 밀도 등급 표면층에 존재하는 고도핑 효과와 표면 재결합 메커니즘에 기인합니다.

Hao-Chih Yuan은 또한 흑색 Si와 처리되지 않은 평면 셀의 IQE와 반사율을 비교했습니다[24]. 그림 3c와 같이 POCl₃ 후 PSG를 제거한 후에도 반사율은 350~1000nm에서 여전히 5% 미만입니다. 나노다공성 층의 확산 및 마무리 열산화[25]. IQE 결과는 단파장에 존재하는 IQE의 현저한 감소인 블랙실리콘 태양전지의 고효율 개선의 주요 문제점을 드러낸다. 감소는 나노다공성 층의 전면에 존재하는 부적절한 표면 패시베이션에 기인할 수 있다. 블랙 실리콘 기반 태양 전지의 광전류 및 광전류 밀도는 기존 실리콘 태양 전지에 비해 크게 향상되었습니다. Hao-Chih Yuan은 단락 전류 밀도(J _sc ) 및 반사 방지가 없는 평면 Si 태양 전지에 비해 16.8%의 변환 효율[24]. 그림 3d와 같이 Sanjay K. Srivastava는 n ⁺ 유형의 검은색 실리콘 태양 전지도 제작했습니다. -p-p ⁺ 구조와 실리콘 나노와이어 어레이(SiNW 기반 블랙 실리콘)의 성능을 기존의 제어 태양 전지와 비교했습니다[25, 26].

T. Sarnet은 검은색 실리콘으로 태양광 전지를 제작했습니다[27]. 그들이 사용한 기판은 10 ¹⁵ 까지의 n형 실리콘 도핑 인입니다. cm ^{− 3} (5–20Ω·cm) 및 POCl₃에서 인으로 확산 원천. 확산된 뒷면은 n ⁺ 입니다. 이는 구조화된 영역과 기판 인터페이스 사이에 후면 옴 접촉을 형성하는 데 도움이 될 수 있습니다. fs 레이저로 처리한 후, 붕소 도펀트를 플라즈마 침지법으로 전면에 주입했습니다(BF₃ ) 소스를 생성한 다음 RTA 어닐링을 수행합니다. 나노표면 구조 및 p ⁺ /n/n ⁺ 소자 구조에서 광흡수율은 96%에 이르고 광전류는 레이저 처리와 전통적인 도핑 기술을 사용하여 40% 향상되었습니다. 광전지에서 레이저 처리와 플라즈마 이온 침지 기술을 연결하여 장치를 제작할 때 광전류 향상은 최대 60%입니다.

Lu Hu와 Gang Chen은 주기적인 나노와이어 구조 모델에 대한 광 흡수를 시뮬레이션했습니다[28]. 계산 결과는 Maxwell-Garnett 방식이 각 나노와이어 간의 전자기적 상호작용에 적합하지 않음을 보여줍니다. 고주파 영역에서의 광 흡수는 나노와이어 구조로부터의 반사를 감소시킴으로써 명백하게 개선될 수 있다. 그러나 저주파 영역에서는 실리콘의 작은 소광 계수로 인해 향상이 관찰되지 않았습니다.

Wei Wang et al. 금속 나노 격자 박막이 내장된 새로운 실리콘 태양 전지 설계를 제안했습니다[29]. 얇은 금속 나노 격자를 사용하면 단파장에서 유사한 흡수로 편광 둔감 흡수를 향상시킬 수 있습니다. Erik Garnett와 Peidong Yang은 다른 평면 제어 샘플보다 단락 광전류가 더 높은 최대 5%의 효율을 갖는 광기전 장치용 대면적 실리콘 나노와이어 방사형 p-n 접합을 제작했습니다[30]. 실리콘 막 두께와 나노와이어 길이의 변화가 있기 때문에 개선된 흡수와 증가된 표면 재결합 사이에 경쟁이 존재하는 것으로 보입니다. 결과는 나노와이어 어레이가 8μm 두께의 실리콘 필름으로 만들어졌을 때 표면 패시베이션 없이도 개선된 흡수가 증가된 표면 재결합보다 우세할 수 있음을 보여주었습니다. 한편, Yanfa Yan[31]은 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 나노다공성 흑색실리콘층 기술의 미세구조와 표면화학을 자세히 연구하였다[31]. 결과는 c-Si/아산화물의 거친 계면이 나노미터 규모이며 점 결함의 덩어리도 포함한다는 것을 보여줍니다. Fatima Toor et al. 17.1%의 변환 효율을 가진 p-형 블랙 실리콘 태양 전지를 제작했으며, 다중 스케일 질감 표면의 광학 및 전하 캐리어 수집 성능도 분석했습니다[32]. 그들은 나노구조 실리콘의 두께가 감소함에 따라 단파장에서의 스펙트럼 응답이 향상될 것임을 보여주었다. 나노 구조 층 두께가 60% 감소하는 동안 태양 전지 스펙트럼에서 블랙 실리콘의 평균 반사율은 2% 미만으로 유지됩니다. 그리고 스펙트럼 응답은 450nm에서 57%에서 71%로 향상되었습니다.

태양 전지에 대한 적용을 제외하고 1~1.2μm 영역의 흑색 실리콘의 광 반응은 디지털 야간 투시경, 재활용을 위한 플라스틱 분류 및 비침습적 혈액 화학 모니터링에도 적용됩니다[33]. 지. 스코티 수소 연료와 양성자 교환막용 고분자 전해질을 결합한 마이크로 연료 전지(MFC)를 제작했다[34]. 이 MFC에서는 적절한 구조를 사용하여 하나의 칩에 집적된 집전체, 유동장 및 가스 확산층을 블랙 실리콘(고도전성 실리콘으로 식각)으로 구현할 수 있습니다. 0.7V의 적용된 바이어스 전압에서 MFC는 70mW/cm ² 라는 유망한 성능을 나타냅니다. 전력 밀도 및 100mA cm ² 전류 밀도. 결과는 문헌에 보고된 다른 유사한 모놀리식 장치의 결과와 비슷합니다.

블랙 실리콘의 특성으로 인해 미세 구조 실리콘은 태양 전지, 적외선 광검출기뿐만 아니라 화학 및 생물학적 센서, 전계 방출 장치와 같은 상업용 장치에 광범위하게 사용할 수 있습니다.

전계 방출

전계 방출 장치의 급속한 성장은 고유한 방출 재료를 찾기 위한 연구를 주도하고 있으며, 이는 견고하고 제조가 쉬우며 보다 유리한 방출이 요구됩니다. 저렴한 비용과 풍부한 콘텐츠로 인해 실리콘 장치를 이미 터로 사용하는 것이 더 매력적이고 유용합니다.

만족스러운 광학 특성 외에도 미세 구조 실리콘은 상당한 전계 방출 특성을 나타냅니다. James E. Carey는 전계 방출 디스플레이, 이온 추진기 추진 및 마이크로파 증폭에서 흑색 실리콘 구조의 잠재적 사용을 보고했습니다[35]. 에미터로서의 흑색 실리콘 구조는 전계방출소자의 중요한 파라미터인 낮은 턴온 필드와 높은 전류 수율을 보여준다. 전위차를 설명하기 위한 전류와 전압의 관계는 그림 3e와 같다[36]. 어레이 분석에 따르면 높고 안정적인 필드는 1.3V/μm입니다. 한편, 이러한 전위차는 1nA/mm ² 의 방출 전류 밀도를 생성할 수 있습니다. . fs 레이저 조사 블랙 실리콘으로 최대 0.5mA/mm ² 방출 전류를 얻었습니다. 50V/μm의 적용 필드에서 결과는 또한 블랙 실리콘의 낮은 턴온 필드와 높은 전류 수율을 보여줍니다. Patrick G. Maloney에 따르면 그림 3f에서 볼 수 있듯이 어닐링 온도에 따라 블랙 실리콘의 미세 구조가 변화함에 따라 블랙 실리콘의 방사율도 감소합니다[37].

P. Hoyer는 테라헤르츠 방사 방출체로서 블랙 실리콘에 대한 연구를 보고했습니다[38]. 블랙 실리콘의 구조로 인해 입사광에 대해 다중 반사가 존재하여 나노 크기의 바늘에서 흡수가 향상됩니다. 바늘은 벌크 재료로 상호 연결되고 전하 캐리어가 분리되도록 제한하여 국부 전위차의 큰 변화를 초래합니다. 다양한 표면 품질에 대한 테라헤르츠 전기장은 그림 4a에 나와 있습니다[38].

아 다양한 실리콘 샘플에 대한 테라헤르츠 전기장:검은색 실리콘, 손상된 표면, 연마되지 않은 실리콘 표면, 연마된 실리콘 표면 [38]. b–d 온도, 레이저 강도 및 파장이 다른 흑색 실리콘의 PL 스펙트럼 [3]

발광

X. Li는 나노입자 Au/Pt를 포함하는 다공성 실리콘(PSi)으로 강렬한 발광을 달성했습니다(실리콘 템플에 얇은 층으로 증착됨(d <10nm)) 보조 화학 에칭(EtOH:HF(49%):H₂ O₂ (30%) =1:1:1) HF 및 H₂ 용액 O₂ [39]. The results demonstrated that PSi device modified by Pt yields the fastest etching rate and produces the most intense luminescence than that modified by Au. Ali Serpengüzel also reported the photoluminescence (PL) of black silicon samples fabricated by a series of intense and short laser pulses in air [3]. The micro-structured surface of irradiated layer is covered with dendritic nanostructures in the size range from 10 to 100 nm, which will disappear after thermal annealing. As shown in Fig. 4b, the PL spectra of the black silicon measured in the visible light and different annealing temperature excited by a constant laser intensity of 0.1 W cm ^− 2 [3]. And the laser intensity is increased as the PL intensity increases, as displayed in Fig. 4c.

C. Wu observes photoluminescence from SiO _x formed by laser-structured silicon surfaces in air [38]. PL spectrum just appears at reverse with wavelength (peak value is reached at long wavelength.). As shown in Fig. 4d, the PL intensity increases sub-linearly (i.e., γ  = 0.44) as the excitation laser intensity enlarges. Generally speaking, the value of coefficient γ ranges from 1 to 2 for exciton emission as the excitation energies of photon laser exceed the bandgap of silicon. Moreover, γ  ≤ 1 stands for being free-bound or bound-bound state recombination. There are bound-bound emission in black silicon through band-tail states recombination for the evidence of γ  = 0.44 at 10 K.

The relationship between PL intensity and different wavelengths at 10 K is plotted in the Fig. 4c. The results are almost the same as Ali Serpengüzel’s previous study:the variation of photoluminescence with respect to different temperatures in black silicon, as shown in Fig. 4b [3]. The PL intensity decreases as the temperature increases, indicating that a quenching process occurs via radiative recombination (reflected by the large-rate decrease of PL intensity above 120 K). The thermal quenching process, which occurs in the band-tail states (such as impurities and structural defects) of black silicon, has a relationship to the mobility.

G. Kurumurthy also studied the photoluminescence of silicon nanoparticles, fabricated by laser irradiation [40]. The variation of particle size is owing to the irradiation wavelength. They exposed the freshly prepared silicon nanoparticles to air for few days, then observed the PL intensity enhanced and saturated. For the case of exposure to air within 1 h, the PL spectrum of the freshly fabricated samples exhibits two well resolved peaks of ~ 435 and 441 nm, even the measurement is undergoing the constant exposure to the emission of broadening spectrum.

Surface-Enhanced Raman Spectra (SERS)

Jorg Hubner fabricated an integrated spectrometer device by using epoxy resist (SU-8) on black silicon as Raman spectroscopy and coupling a charge-coupled device (CCD) element [41]. They prepared the black silicon with two methods:(1) an aqueous suspension of gold nanoparticles and polystyrene beads was used to deposit a gold layer on silicon surface, and (2) gold ion were used as the coated catalyst to create the random silicon nanostructures. By using the on-chip spectrometer, they have recorded surface-enhanced Raman spectra of Nileblue and Rhodamin 6G, respectively. As shown in Fig. 5a, the surface Raman spectra recorded by an on-chip spectrometer show that the black silicon integrated system is suitable for Raman sensors. They are low cost and possible to be applied in security monitoring and other “point of care” devices.

아 The SERS spectra recorded at low resolution. ㄴ The current-voltage characteristics at reverse bias for the various diameters of diodes. ㄷ The measured (dots) and calculated (lines) breakdown voltages of different nanowire diameters. d Spikes’ density (empty dots) and the static water contact angle θ (full dots) versus fs laser irradiation fluence

A Hydrophobic Surface

The silicon surface, structured on the micrometer and nanometer scale by fs laser irradiation, exhibited the evident hydrophobic property, as reported by V Zorba [42]. The wettability properties are controlled by a systematic and reproducible variation of the surface roughness, namely the construction of geometrical structure [43]. They varied the laser fluence to obtain the particular hydrophobic surface. Such behavior is called heterogeneous wettability, replaced with another way that air is partially trapped underneath the liquid, which is incomplete penetration within the silicon features. As shown in Fig. 5d, the contact angle of black silicon water increased from 66°to 130°or larger [42].

Later Jia Zhu fabricated the black silicon-based nanodome solar cells with self-cleaning function [44]. The phenomenon is similar to the lotus leaf, which consists of micro-structures and randomly distributed branch-like nanostructures [45]. They modified the black silicon surface with hydrophobic molecules; thus, the nanodome solar cells obtained the self-cleaning function via superhydrophobicity due to the particular morphology. Once black silicon materials are used on solar cells or photovoltaic detectors, dust particles accumulating on the device architectures will seriously imprison sunlight and eventually, leading to the reduction of device efficiency and device life. The devices with self-cleaning function can easily avoid the abovementioned problem.