飞秒激光诱导的Si能级调控及近红外增强探测器研究

摘要

重掺杂微纳结构硅又称黑硅材料，是一种基于晶体硅进行表面处理的新型硅材料。黑硅的出现主要是为了解决晶体硅在可见-近红外光波段吸收率低的问题，以期实现基于硅衬底的光电探测器可以对可见-近红外光波段进行探测。
　　本文采用飞秒激光辐照法制备黑硅材料，其优点是操作简便，器件集成度高，可复制性强；缺点是材料形貌对器件工艺要求很高，制备速度较慢。高能飞秒激光在背景气氛下辐照晶体硅表面，可在短时的熔融过程中实现杂质原子的重掺杂，并在硅表面形成尖锥状陷光结构。我们的实验设立了六组混合掺杂对照组，分别在不同浓度的SF6和N2气氛下对硅衬底进行飞秒激光辐照刻蚀。通过对结构的SEM表征，得出尖锥的形貌特征与激光能量大小以及掺杂剂中S、F、N三种原子的比例有关。激光能量越高，N原子含量越高，则尖锥越钝，体积越大。通过对SF6和N2混合掺杂的黑硅材料吸收特性的分析，退火前后S、N混合掺杂的黑硅材料在近红外波段（1100-2000nm）吸收有较大变化，结合实验结果证明了S原子在硅衬底中热扩散作用很强，N原子在硅衬底中热稳定性很强。
　　第一性原理仿真对黑硅材料的能带结构及态密度进行了分析。实验研究了S、N、F三种元素原子对超晶胞Si结构替位式掺杂的影响，仿真结果表明，S重掺杂后形成的非本征半导体材料由原先的间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。每种掺杂情况下材料的带隙间都形成了杂质能级，带隙宽度发生变化，掺杂过程也导致能带发生了偏移。从态密度结构图中可以看出，掺杂元素的电子结构对硅衬底的电子结构有一定的影响，对比重掺杂前后的费米能级，可以得出S、N原子重掺杂的结构相对具有一定的金属特性。
　　我们的器件采用PIN型结构，重掺杂硅层作为光敏层用以提升衬底对可见-近红外光的吸收。通过傅里叶红外光谱仪和1064nm激光光源，测得了S重掺杂PIN型器件的近红外光响应度和光暗电流数据，结果证明了相较普通的硅PIN器件，S重掺杂PIN器件在近红外光波段有着明显的高光响应度，且在3V和5V的反向偏压工作状态下光电流比暗电流高出两到三个数量级。Silvaco TCAD软件被用于仿真重掺杂的PIN型器件结构，对比实验制得的S重掺杂PIN型器件，仿真结果基本上与实际相符，且结果表明了在5V的反向偏压下工作时，响应峰值可以达到5.9A/W，远超现有商用硅基光电探测器的响应度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 黑硅材料发展历程

1.2 飞秒激光对晶体硅材料的重掺杂

1.3 飞秒激光在不同背景气氛下制备黑硅材料

1.4 黑硅光电器件的研究现状

1.5 本文的主要工作

第二章 飞秒激光制备重掺杂黑硅材料

2.1 飞秒激光制备黑硅材料

2.2 黑硅表面形貌表征

2.3 黑硅吸收特性分析

2.4 霍尔测试

2.5 本章小结

第三章 替位式重掺杂硅的第一性原理仿真

3.1 第一性原理仿真计算

3.2 Material studio软件仿真设计

3.3 基于第一性原理的单晶硅掺杂仿真

3.4 本章小结

第四章 重掺杂近红外增强型硅光电探测器

4.1 基于黑硅的PIN光电二极管

4.2 S原子重掺杂对器件近红外响应度的影响

4.3 Silvaco软件对重掺杂PIN器件的验证性仿真

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得成果