连续激光诱导Ni掺杂过饱和单晶Si材料的探索

摘要

由于过饱和掺杂的硅基杂质中间带材料在中间带太阳电池和红外探测器等领域具有良好的应用前景，近年来受到了各国科研工作者的广泛关注和研究。本文首次选用Ni作为掺杂元素，从理论和实验两方面对Ni掺杂过饱和单晶Si材料形成中间带的可行性进行了探索。理论方面，基于密度泛函理论(DFT)对Ni掺杂体Si的形成能、电子结构和光学性质进行了第一性原理计算。实验方面，采用溅射镀膜结合连续线形激光扫描的方法成功制备了Ni掺杂过饱和单晶Si材料;探讨了Ni掺杂过饱和单晶Si层的形成过程，并对Ni掺杂过饱和单晶Si材料的结晶特性与光电特性进行了表征与分析。本文所开展的研究工作及主要研究结果如下:
　　1.基于第一性原理计算研究了Ni间隙和替位掺杂体Si后的结构稳定性、电子结构与光学性质。结论如下:(1)Ni以间隙位的形式存在于Si的晶格中最稳定。(2)间隙位Ni掺杂体Si后在导带底(CBM)下方几十电子毫伏的位置出现了一个独立的、空的能带。这个能带在能量上与导带底有很大的交叠，故也可看做导带底。将这个能带看做导带底后，材料为直接带隙半导体，禁带变窄，禁带宽度约为体硅的0.85倍，价带顶(VBM)的态密度有显著增大。(3)替代位Ni掺杂体Si后在Si的禁带中引入一个独立的、半满中间带（IB）。这个中间带主要来自Ni-d和Si-p态电子的贡献，位于导带下方几百电子毫伏的位置。掺杂后的材料禁带变宽，禁带宽度约为体Si的1.2倍，VBM和CBM对应的高对称点位置都有所变化。由于形成了半满中间带，Ni替代掺杂体Si后所得材料在低温时的电导率将具有“类金属性”;在近红外波段内的子带光吸收都有显著增加。(4)虽然间隙Ni掺杂Si单独无法形成中间带;但当其与替代位Ni共同掺杂Si时，是会对中间带有贡献的。
　　2.采用磁控溅射和连续线形激光(Nd∶ YAG)诱导掺杂的方法制备得到了Ni掺杂过饱和单晶Si材料。优化得到了一组制备样品的最佳工艺参数为:(1)Ni薄膜的厚度设置为80 nm;(2)加热台的温度设置为250℃;(3)连续线形激光器的输出功率设置为200 W;(4)二维加热台移动的速度设置为2mm/s;(5)激光扫描次数为6次。在此工艺参数条件下制备得到的Ni掺杂过饱和单晶Si材料的过饱和层，在距离表面35 nm区域厚度内，Ni原子的浓度超过了Mott浓度5.9×1019cm-3。
　　3.对Ni掺杂过饱和单晶Si材料的结晶特性进行了表征，并研究了激光扫描次数对样品结晶性的影响。激光扫描次数小于6次时对结晶性影响很小;大于6次后在p-Si∶Ni样品中在距离表面几十纳米区域内开始形成团簇颗粒，当扫描次数达到11次时团簇颗粒的直径尺寸达到几个纳米数量级;Ni过饱和掺杂层主要包含Ni、O、Si三种元素。激光扫描次数为16次时，样品结晶特性明显变差。
　　4.对Ni掺杂过饱和单晶Si表面Ni掺杂层的载流子浓度进行了表征，并研究了激光扫描次数对表面Ni掺杂层载流子浓度的影响。激光扫描镀有Ni薄膜的晶Si样品会使p-Si∶Ni样品表面区域的载流子浓度发生显著改变;随着激光扫描次数的不同载流子的导电类型和浓度也有不同。随着激光扫描次数的增加，表面掺杂层的载流子类型及浓度依次经历了从p→p+→n+→p+的变化过程。
　　5.对Ni掺杂过饱和单晶Si材料的电学特性进行了表征。在80～300 K温度区间内p-Si∶Ni样品的载流子浓度出现了一个极值，预示着p-Si∶Ni样品中可能至少有两个能带参与导电，这两个能带中可能包含了杂质带。采用双能带导电模型对载流子浓度的温度相关性进行拟合，得到了两能带之间的相对位置和及杂质浓度。同时，室温(300K)少子寿命测试表明p-Si∶Ni样品的平均少子寿命约为42μs，较未掺杂的p-Si衬底(平均少子寿命约5μs)有显著提高。
　　6.对Ni掺杂过饱和单晶Si材料在室温下的光学特性和光电响应进行了表征。光学测试结果表明，在波长大于1200nm光波的光照下，p-Si∶Ni样品近红外光的吸收显著增强;表面光伏谱(SPVS)测试与外量子效率(EQE)测试也均出现了明显的光电响应，这些结果同时说明在p-Si∶Ni材料的能带结构中可能形成了杂质中间带。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 关于中间带的概述

1．2．1 何谓中间带

1．2．2 研究硅基杂质带材料的意义

1．3 硅基杂质带材料的研究历史

1．3．1 杂质带太阳电池理论的发展

1．3．2 硅基杂质带材料的实验发展

1．4 晶Si中杂质中间带的形成与绝缘-金属转变

1．4．1 Mott转变发生的条件

1．4．2 电子气屏蔽作用与Mott极限浓度

1．4．3 高浓度掺杂对SRB无辐射复合的抑制作用

1．5 硅基杂质带材料的研究现状

1．5．1 硅基杂质带材料的工艺实现

1．5．2 硅基杂质带材料的杂质选择

1．5．3 过渡金属掺杂过饱和单晶Si材料的研究进展

1．6 本文的研究目的与意义

1．7 本文的结构安排与内容提要

参考文献

第二章 Ni掺杂晶体Si的第一性原理计算

2．1 引言

2．2 DFT与VASP软件包介绍

2．2．1 DFT简介

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理与Kohn_Sham方程

2．2．3 VASP程序包介绍

2．3 结构模型与计算参数设置

2．3．1 Ni掺杂晶体Si的结构模型

2．3．2 计算参数设置

2．4 计算结果与讨论

2．4．1 优化后的结构与形成能

2．4．2 电子结构

2．4．3 光学特性

2．4．4 计算结果小结

2．5 本章小结

参考文献

第三章 连续激光诱导Ni掺杂过饱和单晶Si的制备及检测

3．1 引言

3．2 Ni掺杂过饱和单晶Si样品的制备

3．2．1 制备样品的主要实验设备

3．2．2 Ni掺杂过饱和单晶Si样品的制备过程

3．3 样品检测方法与仪器介绍

3．4 样品制备工艺参数优化的考量

3．4．1 激光器输出功率大小与激光扫描速度

3．4．2 其它工艺参数的设定

3．5 本章小结

参考文献

第四章 Ni掺杂过饱和单晶Si材料的结晶特性表征

4．1 引言

4．2 实验与测试结果

4．2．1 SIMS与ECV测试的结果

4．2．2 XTEM与拉曼测试结果

4．3 讨论一：激光扫描及Ni掺杂对样品结晶性的影响

4．4 讨论二：激光扫描诱导掺Ni的过程中Ni的行为

4．4．1 Ni在Si中的扩散、沉淀与吸杂

4．4．2 激光扫描处理下Si∶Ni层的形成过程

4．5 讨论三：制备p-Si∶Ni样品的最佳激光扫描次数

4．6 本章小结

参考文献

第五章 激光诱导Ni掺杂过饱和单晶Si材料的光电特性表征

5．1 室温下材料的光学特性表征

5．2 材料的电学特性表征

5．2．1 变温霍尔测试

5．2．2 少子寿命测试

5．3 室温下材料的表面光伏谱测试

5．3．1 表面光伏测试原理与设备简介

5．3．2 表面光伏测试的结果及分析

5．4．室温下的外量子效率(EQE)测试

5．5．讨论：Ni过饱和掺杂Si层的能带结构

5．6．本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

攻读博士学位期间获得成果

致谢