飛秒激光誘導(dǎo)的Si能級調(diào)控及近紅外增強(qiáng)探測器研究.pdf

1、重?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)硅又稱黑硅材料，是一種基于晶體硅進(jìn)行表面處理的新型硅材料。黑硅的出現(xiàn)主要是為了解決晶體硅在可見-近紅外光波段吸收率低的問題，以期實(shí)現(xiàn)基于硅襯底的光電探測器可以對可見-近紅外光波段進(jìn)行探測。
　　本文采用飛秒激光輻照法制備黑硅材料，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，器件集成度高，可復(fù)制性強(qiáng)；缺點(diǎn)是材料形貌對器件工藝要求很高，制備速度較慢。高能飛秒激光在背景氣氛下輻照晶體硅表面，可在短時的熔融過程中實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)原子的重?fù)诫s，并在硅表面形成尖

2、錐狀陷光結(jié)構(gòu)。我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)立了六組混合摻雜對照組，分別在不同濃度的SF6和N2氣氛下對硅襯底進(jìn)行飛秒激光輻照刻蝕。通過對結(jié)構(gòu)的SEM表征，得出尖錐的形貌特征與激光能量大小以及摻雜劑中S、F、N三種原子的比例有關(guān)。激光能量越高，N原子含量越高，則尖錐越鈍，體積越大。通過對SF6和N2混合摻雜的黑硅材料吸收特性的分析，退火前后S、N混合摻雜的黑硅材料在近紅外波段（1100-2000nm）吸收有較大變化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了S原子在硅襯底中熱擴(kuò)

3、散作用很強(qiáng)，N原子在硅襯底中熱穩(wěn)定性很強(qiáng)。
　　第一性原理仿真對黑硅材料的能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)研究了S、N、F三種元素原子對超晶胞Si結(jié)構(gòu)替位式摻雜的影響，仿真結(jié)果表明，S重?fù)诫s后形成的非本征半導(dǎo)體材料由原先的間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。每種摻雜情況下材料的帶隙間都形成了雜質(zhì)能級，帶隙寬度發(fā)生變化，摻雜過程也導(dǎo)致能帶發(fā)生了偏移。從態(tài)密度結(jié)構(gòu)圖中可以看出，摻雜元素的電子結(jié)構(gòu)對硅襯底的電子結(jié)構(gòu)有一定的影響，對比重?fù)?/p>

4、雜前后的費(fèi)米能級，可以得出S、N原子重?fù)诫s的結(jié)構(gòu)相對具有一定的金屬特性。
　　我們的器件采用PIN型結(jié)構(gòu)，重?fù)诫s硅層作為光敏層用以提升襯底對可見-近紅外光的吸收。通過傅里葉紅外光譜儀和1064nm激光光源，測得了S重?fù)诫sPIN型器件的近紅外光響應(yīng)度和光暗電流數(shù)據(jù)，結(jié)果證明了相較普通的硅PIN器件，S重?fù)诫sPIN器件在近紅外光波段有著明顯的高光響應(yīng)度，且在3V和5V的反向偏壓工作狀態(tài)下光電流比暗電流高出兩到三個數(shù)量級。Silvaco