宽光谱响应微纳结构硅材料制备及光电探测应用研究

摘要

重掺杂硅由于其独特的表面形貌和良好的宽光谱吸收特性，受到了国内外学者们的广泛关注和深入研究。目前这一新型材料可用于硅基光电探测器、太阳能电池等领域，并将产生革命性的影响。激光用于材料的改性与加工已经很多年了，由于激光的特殊性，改性过后的材料往往能显现出与众不同的性能。我们采用飞秒激光在SF6气氛下扫描单晶硅，得到表面具有尖锥状结构的重掺杂硅。研究表明，样品表面尖锥高度约为数个微米甚至更高，对可见-近红外波段的光的吸收均高达90％以上，充分显示了高吸收、宽光谱响应的特性。对可见光的高吸收是因为独特的尖锥结构所形成的陷光效应，增加了材料表面对光的吸收次数。而高能激光在烧蚀熔化硅表面的同时掺入了S元素杂质，掺杂浓度远远大于S元素在硅中的固溶度，所以杂质元素在硅的禁带宽度中引入了杂质能带，使得材料能吸收能量小于禁带宽度的光子，从而实现了对近红外波段的光的高吸收。虽然在SF6气氛下制备的重掺杂硅有更高的吸收，但是尖锥高度较高就不利于后续器件的制备，从而让材料的特殊性能得不到充分应用。离子注入的应用解决了这个问题。先通过离子注入在硅表面掺杂高浓度的杂质，后使用低能量和低脉冲数目扫描硅片，得到表面粗糙度在纳米级别的重掺杂硅。材料对可见光的吸收依然能达到90%以上，对近红外波段的光的吸收有所下降，为60%以上，但仍要比单晶硅的吸收高出很多。
　　本研究通过霍尔效应表征了材料的载流子浓度、电阻率和电子迁移率，材料表现出了与单晶硅不同的电学性能，载流子浓度能达到1020cm-3，电阻率也非常低，电子的迁移率降低到82cm2v-1s-1，这是由于超高的掺杂浓度所导致的。将重掺杂硅材料制成PN/PIN结光电探测器，测试分析了器件的光暗电流和响应度曲线。PN结器件的响应度最大为0.9A/W，在军事上常用的1060nm波段，响应度依然可以达到0.17A/W，PIN结器件的响应度最高更是达到5.94A/W，充分表现出重掺杂硅材料在光电探测器领域的巨大潜力。不过两种器件的暗电流都非常大，主要是表面经过激光扫描以及深能级杂质的重掺杂，形成大量复合中心，造成光生载流子难以渡越。

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第一章 绪论

1.1 黑硅材料的发展历程

1.2 重掺杂硅材料的制备方法及特性

1.3 基于重掺杂硅的器件发展及国内外现状

1.4 本文的研究意义及内容

第二章 实验装置、材料、工艺

2.1 系统介绍

2.2 飞秒激光系统

2.3 光路及真空腔系统

2.4 使用飞秒激光进行材料微加工的优势及应用

2.5 实验材料、制备工艺、测试方法

2.6 本章小结

第三章 在SF6气氛下扫描制备重掺杂硅及其性能研究

3.1 重掺杂硅的制备及形貌表征

3.2 重掺杂硅材料的吸收特性

3.3 重掺杂硅的电学特性研究

3.4 本章小结

第四章 辅以离子注入的重掺杂硅的制备及其亚带隙吸收

4.1 样品制备

4.2 脉冲数目对重掺杂硅表面形貌的影响

4.3 重掺杂硅的亚带隙吸收特性

4.4 重掺杂硅材料的电学特性测试

4.5 本章小结

第五章 重掺杂硅器件的制备及性能研究

5.1 基于PN/PIN结的光电探测器工作原理

5.2 重掺杂硅光电探测器的制备

5.3 光电探测器的性能测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果