Tinjau Aplikasi Silikon Hitam Berstrukturnano

Penerapan Silikon Hitam

Fotodioda

Silikon hitam dapat digunakan dalam arsitektur fotodetektor persimpangan tradisional. Efisiensi kuantum yang diukur di dekat spektrum panjang gelombang inframerah adalah lebih dari 10x daripada fotodetektor silikon tradisional, dan yang pertama tidak ada degradasi signifikan dalam hal kebisingan dan parameter lain untuk detektor. Dengan serapan tinggi pada spektrum optik pita lebar, fotodioda silikon hitam dengan responsivitas tinggi telah direalisasikan oleh beberapa kelompok [1, 10,11,12,13].

C. Wu membuat APD berstruktur mikro dengan silikon hitam, yang dihasilkan dengan menyinari wafer silikon dengan orientasi (111) dengan laser fs pada panjang gelombang tengah 800 nm dan 100 pulsa dalam SF₆ [1]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1e, di bawah bias 900 V atau lebih besar, produksi pembawa foto yang dihasilkan dari wilayah berstruktur mikro setidaknya tiga kali lipat dari yang berasal dari wilayah tidak terstruktur baik pada 1,064 dan 1,310 μm. Dengan menggunakan iradiasi laser fs dalam atmosfer yang mengandung belerang, James E. Carey membuat fotodioda berbasis silikon dengan responsivitas tinggi untuk mendeteksi sinyal cahaya tampak dan inframerah dekat [11]. Performa arus foto dan responsivitas fotodioda sangat bergantung pada kondisi pemrosesan, seperti dopan substrat, fluence laser, waktu annealing termal, dan suhu. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 1f dan Gambar. 2a, b.

a Fotoresponsivitas dengan suhu annealing yang berbeda untuk setiap sampel adalah 30 menit. b Fotoresponsivitas dengan pengaruh laser yang berbeda. c Efisiensi kuantum tergantung pada panjang gelombang untuk APD yang mencakup daerah berstruktur mikro dan tidak terstruktur. d Karakteristik tegangan arus dari fotodetektor silikon hitam berstruktur mikro berdiameter 100 m [12]. e Kerapatan daya derau arus versus arus foto di bawah tegangan bias balik yang diterapkan sebesar 3 V. f Responsivitas untuk perangkat silikon hitam berdiameter 250 m di bawah bias balik yang diterapkan sebesar 0, 1, 2, dan 3 V [12]

Sampel silikon hitam yang dioptimalkan menunjukkan responsivitas tinggi yang hampir dua dan lima kali lipat lebih tinggi daripada fotodioda silikon komersial dalam panjang gelombang tampak dan inframerah dekat. Dengan menggunakan parameter laser yang dioptimalkan, R. Torresa memodifikasi sisi depan sampel silikon hitam dan menciptakan p ⁺ 3D junction dengan menggunakan teknik Plasma Immersion Ion Implantation untuk mencapai implantasi boron [12]. Dibandingkan dengan luas permukaan non-tekstur, telah ditunjukkan bahwa perangkat bertekstur menunjukkan peningkatan 57% dari arus foto. Fotodioda PIN silikon tradisional menunjukkan kemampuan menyerap yang buruk terhadap cahaya di atas 1,1 μm. Oleh karena itu, mereka tidak dapat digunakan untuk mendeteksi dua panjang gelombang telekomunikasi utama, 1,3 dan 1,55 μm. Menurut Aoife M. Moloney, ditetapkan bahwa peningkatan berlebih 50% dalam kinerja responsivitas ada di permukaan silikon hitam pada panjang gelombang 1,1 μm atau panjang [13]. Sementara itu, tegangan ambang batas fotodioda silikon hitam lebih rendah daripada dioda berbasis silikon standar. Keberadaan photodiode junction kedua yang terbentuk antara permukaan silikon hitam dan substrat silikon memberikan kontribusi utama pada tegangan ambang bawah.

Selanjutnya, Richard A. Myers melaporkan laser mikro-strukturisasi APD berbasis silikon dan array APD [5]. Serangkaian proses fabrikasi pra-struktur, termasuk difusi boron dalam dalam tungku difusi suhu tinggi, digunakan untuk mendapatkan sambungan p-n 50~ 60 μm di bawah struktur perangkat setebal ~ 250-m akhir. Setelah anil, responsivitas perangkat pra-terstruktur adalah dua hingga tiga kali lebih tinggi daripada APD berbasis silikon yang tidak terstruktur pada panjang gelombang inframerah-dekat. Selanjutnya, tidak ada degradasi yang diamati dari karakteristik kinerja lainnya. Mereka juga menunjukkan bahwa peningkatan responsivitas pada panjang gelombang inframerah-dekat dapat disebabkan oleh atmosfer (terbaik di SF₆ ) dan anil. Tetapi pengurangan efisiensi kuantum (QE), terutama pada panjang gelombang di bawah 900 nm, dapat dikurangi dengan anil suhu tinggi tambahan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c.

P. Agarwal dkk. mendemonstrasikan dioda sambungan p-n kawat nano silikon tertanam yang sangat dapat direproduksi, yang dibuat dengan teknologi etsa yang sepenuhnya kompatibel dengan VLSI untuk mencapai diameter di bawah 30 nm [14]. Diterapkan pada bias balik, dioda heterojunction menunjukkan hubungan yang kuat antara diameter dan tegangan tembus, yang mungkin dihasilkan dari pengaruh dielektrik sekitarnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b, c.

Photodetectors

Penggunaan silikon secara luas dalam industri semikonduktor mendorong minat yang luas dalam meningkatkan responsivitas fotodetektor berbasis silikon di wilayah inframerah. Silikon hitam memungkinkan kita untuk membuat perangkat fotodetektor berdasarkan silikon untuk panjang gelombang tampak dan inframerah dekat karena penyerapan yang tinggi dalam kisaran 250 hingga 2500 nm [15]. Responsivitas spektral untuk beberapa perangkat silikon hitam hampir sepuluh kali lebih besar daripada fotodioda PIN komersial berdasarkan bahan silikon seperti yang digunakan dalam cahaya tampak.

Responsivitas detektor silikon hitam telah diselidiki oleh beberapa tim dengan berbagai faktor, termasuk suhu anil, dopan, dan gas latar. J. E. Carey membuat fotodioda berbasis silikon menggunakan silikon hitam yang disinari laser fs [16]. Sensitivitas detektor silikon hitam sepuluh kali lipat dari fotodioda PIN komersial berbasis silikon pada panjang gelombang tampak dan 1650 nm. Menurut Richard A. Myers, responsivitas detektor APD silikon berstruktur mikro yang dianil dalam kondisi yang berbeda ditingkatkan pada panjang gelombang dekat-IR [5]. Dengan latar belakang gas yang berbeda, hasil menunjukkan bahwa silikon hitam yang diproses di atmosfer belerang menunjukkan QE tertinggi setelah anil. Hal ini juga menunjukkan bahwa respons yang ditingkatkan dari detektor APD berstruktur mikro pada panjang gelombang panjang dihasilkan dari penyerapan yang ditingkatkan dan tidak menunjukkan ada hubungannya dengan pita energi tambahan yang dibuat selama pemrosesan laser.

Dengan meningkatnya penyerapan total, penurunan respon terhadap radiasi panjang gelombang pendek diamati pada detektor, menunjukkan bahwa sebagian besar pembawa muatan dikumpulkan dari daerah yang lebih dalam tetapi tidak dari daerah dekat permukaan. Setelah diproses dengan anil termal, QE susunan APD fabrikasi pada 1064 nm diperoleh setinggi 58% tanpa degradasi kebisingan, penguatan, atau kinerja listrik lainnya. Selain itu, hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa peningkatan penyerapan pada inframerah-dekat memberikan kontribusi utama pada peningkatan koleksi pembawa muatan.

Dengan silikon yang dimodifikasi laser fs di SF₆ gas, fotodetektor yang diukur pada bias 3 V menunjukkan respons foto yang tinggi masing-masing 92 A/W pada 850 nm dan 119 A/W pada 960 nm [17]. Fotodetektor silikon berstruktur mikro masih menunjukkan respons foto yang kuat meskipun panjang gelombangnya lebih panjang dari 1,1 μm. Respon foto dari detektor ini dapat dijelaskan dengan mekanisme perolehan rekombinasi generasi. Penguatan yang dihitung dari hasil pengukuran kerapatan arus derau kira-kira 1200 pada bias 3 V. Hasil pengukuran Hall pada lapisan permukaan menunjukkan konsentrasi elektron wilayah berstruktur mikro lebih tinggi daripada substrat, dan mobilitas elektron berada pada orde 100 cm ² V ^− 1 s ⁻¹ , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Menurut Gambar. 2d, pada tegangan bias balik 1 dan 3 V, arus gelap masing-masing adalah 1,3 dan 2,3 μA untuk perangkat berdiameter 100 m. Nilainya satu urutan besarnya lebih rendah dari arus gelap yang diukur pada bias maju di bawah tegangan yang sama. Saat arus foto meningkat, kerapatan daya noise meningkat secara linier, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e [17].

Gambar 2f menunjukkan responsivitas versus panjang gelombang dari 0,60 hingga 1,30 μm pada bias mundur 0, 1, 2, dan 3 V [17]. Jelas bahwa responsivitas silikon hitam berubah dengan panjang gelombang sebagai punuk tunggal, serta QE dengan panjang gelombang (ditunjukkan pada Gambar. 3a [18]). M. U. Pralle melaporkan bahwa SiOnyx, Inc., telah mengeksploitasi teknologi pemrosesan silikon baru untuk sensor CMOS [18]. Teknik ini akan memperluas sensitivitas spektral detektor berbasis silikon tradisional ke dalam inframerah dekat/gelombang pendek (NIR/SWIR), sehingga memberikan kinerja yang menarik untuk kemampuan penglihatan malam digital. QE lapisan tipis adalah 10 kali lipat dari sensor pencitraan yang ada saat sensitivitas spektral diukur dari 400 hingga 1200 nm. Dalam CMOS silikon hitam, efisiensi kuantum pada 940 nm adalah 68%, arus gelap pada tegangan bias 10 mV adalah 140 pA/cm ² , dan waktu responsnya adalah 10 n.

a Performa EQE untuk fotodioda silikon hitam (merah) yang diukur dalam mode fotovoltaik dan sensor pencitraan CCD komersial (biru) [17]. b IQE dan c Pengukuran R untuk sel surya berbasis silikon planar dan sel surya silikon hitam. d Kurva arus-tegangan sel surya konvensional dan sel surya silikon hitam dibuat dari susunan SiNW [23]. e Performa arus-tegangan untuk perbedaan potensial yang bervariasi. Di sini jarak anoda-katoda adalah 20 μm [36]. f Emisivitas versus panjang gelombang yang diberikan suhu sumber benda hitam yang berbeda [37]

Kalkogen dalam gas ambien ditanamkan dan dimasukkan ke dalam permukaan silikon yang terbentuk dalam konsentrasi besar, yang mempengaruhi fotoresponsivitas secara efisien [18]. Dalam kasus SF₆ , menggabungkan donor belerang sangat penting untuk mencapai fotoresponsivitas yang tinggi. Telah ditemukan bahwa perangkat dengan penggabungan selenium dan telurium juga mendapatkan responsivitas foto yang tinggi. Namun, gas lain seperti udara, nitrogen, dan hidrogen ditanamkan ke permukaan silikon, dan perangkat menunjukkan respons yang buruk.

James E. Carey melaporkan penerapan silikon hitam di sensor IR [19]. Silikon hitam menunjukkan perolehan fotokonduktif yang efisien dan tinggi pada suhu kamar, dengan respons hingga lebih dari 100 A/W pada NIR. Ini tidak hanya secara dramatis mengurangi pantulan silikon untuk memungkinkan banyak cahaya diserap di wilayah NIR dan SWIR, tetapi juga membuat detektor menunjukkan respons foto yang tinggi dari 1000 hingga 1200 nm. Dan responsivitasnya 100 kali lebih tinggi daripada detektor germanium komersial atau InGaAs. M.G. Tanner dkk. membuat paket NbTiN SNSPDs (superkonduktor nanowire single-photon detectors) berdasarkan substrat silikon teroksidasi di bawah panjang gelombang kerja mulai dari 830 hingga 1700 nm [20]. Arsitektur optik ini dapat dioptimalkan untuk mendeteksi sinyal panjang gelombang penting alternatif, seperti 1550 nm.

Sel Surya

Efek perangkap cahaya yang unik dari morfologi permukaan bertekstur mikro sangat meningkatkan penyerapan silikon yang terlihat, membuatnya digunakan dengan baik dalam fotodeteksi Vis-NIR, serta sel surya. Dengan menggunakan laser fs tanpa gas korosif (di bawah vakum), M. Halbwax menyiapkan silikon berstruktur mikro dan nano untuk sel fotovoltaik dengan metode nanoteksturisasi yang berbeda [21]. Dan hasilnya menunjukkan bahwa arus foto berutang peningkatan ~  30% di area yang dimodifikasi laser. Dalam studi ini, struktur fotovoltaik dibuat dengan menggunakan laser fs untuk menerangi wafer silikon untuk mencapai hutan berstruktur nano lokal (kuadrat 1 mm ² ). Setelah penataan laser, sampel ditanamkan elemen boron menggunakan Teknik Perendaman Plasma (alat PULSION, dikembangkan oleh IBS) untuk membentuk p-n junction, diikuti dengan pemrosesan rapid thermal annealing (RTA). Penyerapan wafer silikon berstruktur spike mencapai 94%, yang jauh lebih tinggi daripada struktur lain seperti penguin, pilar dan piramida, bahkan penyerapan wafer silikon datar hanya 65%. Arus foto rata-rata dari sampel silikon yang tidak dimodifikasi berada pada urutan 15 nA atau bahkan lebih kecil. Namun, arus foto dari sampel silikon yang diolah berada dalam kisaran 19 hingga 21 nA, yang menunjukkan peningkatan 25~30% pada arus foto. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi efisiensi kuantum internal (IQE) sel berbasis silikon hitam. Menurut M. Halbwax, kinerja IQE dari sel surya bertekstur laser tidak hanya dibatasi oleh refleksi yang tidak dioptimalkan, tetapi juga oleh rekombinasi permukaan [21]. Dan yang terakhir menjadi signifikan karena permukaannya yang besar. Fenomena ini juga ada di makalah lain yang dilaporkan [22, 23]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, menurut Hao-Chih Yuan, hasil yang ditunjukkan oleh IQE dipengaruhi secara signifikan oleh waktu etsa [24]. Mereka membuat sel surya berdasarkan wafer silikon hitam satu sisi dan wafer Si planar dua sisi yang dipoles, masing-masing. Kemudian, proses standar praktis digunakan untuk menghasilkan emitor sisi depan terdifusi fosfor dan bidang permukaan belakang aluminium (Al-BSF). Dengan meningkatnya waktu etsa silikon hitam, IQE menurun secara signifikan pada panjang gelombang pendek. Fenomena ini terutama karena efek doping tinggi dan mekanisme rekombinasi permukaan yang ada di lapisan permukaan bergradasi kepadatan berstruktur nano.

Hao-Chih Yuan juga membandingkan IQE dan reflektifitas dari Si hitam dan sel planar yang tidak diberi perlakuan [24]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, reflektifitas masih di bawah 5% dari 350 hingga 1000 nm setelah melepas PSG setelah POCl₃ difusi dan finishing oksidasi termal dari lapisan nanopori [25]. Hasil IQE mengungkapkan masalah utama dalam meningkatkan efisiensi tinggi sel surya silikon hitam yaitu pengurangan luar biasa dari IQE yang ada pada panjang gelombang pendek. Pengurangan dapat dikaitkan dengan pasivasi permukaan yang tidak memadai yang ada di permukaan depan lapisan nanopori. Densitas arus foto dan arus foto sel surya berbasis silikon hitam sangat ditingkatkan dibandingkan dengan sel surya silikon tradisional. Hao-Chih Yuan menunjukkan peningkatan lebih dari 35% dalam kepadatan arus hubung singkat (J _sc ) dan efisiensi konversi 16,8% di atas sel surya Si planar tanpa anti refleksi [24]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, Sanjay K. Srivastava juga membuat sel surya silikon hitam dengan tipe n ⁺ -p-p ⁺ struktur dan membandingkan kinerja susunan kawat nano silikon (silikon hitam berbasis SiNW) dengan sel surya kontrol konvensional [25, 26].

T. Sarnet membuat sel fotovoltaik dengan silikon hitam [27]. Substrat yang mereka gunakan adalah fosfor yang didoping silikon tipe-n hingga 10 ¹⁵ cm ^− 3 (5–20 Ω·cm) dan didifusikan dengan fosfor dari POCl₃ sumber. Sisi belakang yang menyebar adalah n ⁺ lapisan, yang dapat membantu untuk membentuk kontak ohmik balik antara area terstruktur dan antarmuka substrat. Setelah dirawat dengan laser fs, dopan boron ditanamkan ke permukaan depan dengan perendaman plasma (BF₃ ) sumber dan kemudian diikuti oleh anil RTA. Dengan struktur nanosurface dan p ⁺ /n/n ⁺ struktur perangkat, penyerapan optik mencapai 96%, dan arus foto telah mencapai peningkatan 40% menggunakan perawatan laser diikuti dengan teknik doping tradisional. Peningkatan arus foto hingga 60% saat perangkat dibuat dengan menghubungkan perawatan laser dengan teknik perendaman ion plasma dalam sel fotovoltaik.

Lu Hu dan Gang Chen mensimulasikan penyerapan optik untuk model struktur nanowire periodik [28]. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa pendekatan Maxwell-Garnett tidak sesuai untuk interaksi elektromagnetik antara setiap nanowire. Penyerapan optik dalam rezim frekuensi tinggi terbukti dapat ditingkatkan dengan mengurangi refleksi dari struktur nanowire. Tetapi dalam rezim frekuensi rendah, tidak ada peningkatan yang diamati karena koefisien kepunahan silikon yang kecil.

Wei Wang dkk. mengusulkan desain sel surya silikon baru dengan film tipis nanograting logam tertanam [29]. Dengan nanograting logam tipis, peningkatan penyerapan tidak sensitif polarisasi dapat dicapai dengan penyerapan serupa pada panjang gelombang pendek. Erik Garnett dan Peidong Yang membuat area besar kawat nano silikon radial p-n junction untuk perangkat fotovoltaik dengan efisiensi hingga 5%, yang arus foto hubung singkatnya lebih tinggi daripada sampel kontrol planar lainnya [30]. Karena ada variasi ketebalan film silikon dan panjang kawat nano, tampaknya ada persaingan antara peningkatan penyerapan dan peningkatan rekombinasi permukaan. Hasilnya menunjukkan ketika susunan kawat nano dibuat dari film silikon setebal 8 m, penyerapan yang ditingkatkan dapat mendominasi peningkatan rekombinasi permukaan, bahkan tanpa pasifasi permukaan. Sementara itu, struktur mikro dan kimia permukaan teknik lapisan silikon hitam berpori telah dipelajari secara rinci menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) oleh Yanfa Yan [31]. Hasilnya menunjukkan bahwa antarmuka kasar c-Si/suboksida berada pada skala nanometer, yang juga mengandung massa cacat titik. Fatima Toor dkk. fabrikasi sel surya silikon hitam tipe-p dengan efisiensi konversi 17,1%, dan mereka juga menganalisis kinerja pengumpulan pembawa muatan optik dan permukaan bertekstur multi-skala [32]. Mereka menunjukkan bahwa respon spektral pada panjang gelombang pendek akan ditingkatkan sebagai ketebalan silikon berstruktur nano berkurang. Sementara ketebalan lapisan berstrukturnano berkurang 60%, reflektansi rata-rata silikon hitam dalam spektrum sel surya tetap kurang dari 2%. Dan respons spektral ditingkatkan dari 57 menjadi 71% pada 450 nm.

Kecuali untuk aplikasi pada sel surya, fotorespon silikon hitam di wilayah 1 hingga 1,2 m juga membuatnya diterapkan sebagai penglihatan malam digital, penyortiran plastik untuk daur ulang, dan pemantauan kimia darah noninvasif [33]. G. Skotlandia fabrikasi sel bahan bakar mikro (MFC) menggabungkan bahan bakar hidrogen dan elektrolit polimer untuk membran pertukaran proton [34]. Dalam MFC ini, menggunakan struktur yang sesuai, kolektor arus, medan aliran, dan lapisan difusi gas yang terintegrasi pada satu chip dapat diwujudkan dengan silikon hitam (terukir dalam silikon yang sangat konduktif). Di bawah tegangan bias yang diterapkan sebesar 0,7 V, MFC menunjukkan kinerja yang menjanjikan:70 mW/cm ² kepadatan daya dan 100 mA cm ² kepadatan arus. Hasilnya sebanding dengan perangkat monolitik serupa lainnya yang dilaporkan dalam literatur.

Sifat silikon hitam membuat silikon berstruktur mikro tersedia untuk digunakan secara luas dalam perangkat komersial, tidak hanya di sel surya, fotodetektor inframerah, tetapi juga dalam sensor kimia dan biologi, serta perangkat emisi lapangan.

Emisi Lapangan

Area perangkat emisi lapangan yang berkembang pesat mendorong penelitian untuk menemukan bahan pemancar unik, yang harus kuat, mudah dibuat, dan emisi yang lebih menguntungkan. Karena biaya rendah dan konten yang kaya, penggunaan perangkat silikon sebagai penghasil emisi lebih menarik dan tersedia.

Selain sifat optiknya yang memuaskan, silikon berstruktur mikro juga menunjukkan karakteristik emisi medan yang signifikan. James E. Carey melaporkan potensi penggunaan struktur silikon hitam dalam tampilan emisi lapangan, propulsi pendorong ion, dan amplifikasi gelombang mikro [35]. Struktur silikon hitam sebagai emitor menunjukkan medan nyala yang rendah dan hasil arus yang tinggi, yang merupakan parameter penting dari perangkat emisi medan. Hubungan antara arus dan tegangan untuk menggambarkan perbedaan potensial ditunjukkan pada Gambar. 3e [36]. Analisis array menunjukkan bahwa medan yang tinggi dan stabil adalah 1,3 V/μm. Sementara itu, perbedaan potensial ini dapat membuat rapat arus emisi sebesar 1 nA/mm ² . Dengan silikon hitam iradiasi laser fs, mereka memperoleh arus emisi hingga 0,5 mA/mm ² di bawah bidang yang diterapkan 50 V/μm. Hasilnya juga menunjukkan medan nyala yang rendah dan hasil silikon hitam yang tinggi saat ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3f, menurut Patrick G. Maloney, karena struktur mikro silikon hitam berubah dengan suhu anil, emisivitas silikon hitam juga menurun [37].

P. Hoyer melaporkan studi tentang silikon hitam sebagai pemancar radiasi terahertz [38]. Karena struktur silikon hitam, ada beberapa pantulan untuk cahaya yang datang, yang mengarah pada peningkatan penyerapan pada jarum nanoscopic. Jarum saling berhubungan oleh bahan curah dan membatasi pembawa muatan untuk terpisah, yang akan menghasilkan perubahan besar dari perbedaan potensial lokal. Medan listrik Terahertz untuk kualitas permukaan yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4a [38].

a Medan listrik Terahertz untuk sampel silikon yang berbeda:silikon hitam, permukaan yang rusak, permukaan silikon yang tidak dipoles, dan permukaan silikon yang dipoles [38]. b–d Spektrum PL silikon hitam dengan suhu, intensitas laser, dan panjang gelombang yang berbeda [3]

Pendaran

X. Li mencapai luminesensi intens dengan silikon berpori (PSi) dengan nanopartikel Au/Pt (diendapkan pada kuil silikon dengan lapisan tipis (d < 10 nm)) dibuat dengan etsa kimia berbantuan (EtOH:HF(49%):H₂ O₂ (30%) = 1:1:1) dalam larutan HF dan H₂ 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.

a The SERS spectra recorded at low resolution. b The current-voltage characteristics at reverse bias for the various diameters of diodes. c 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.