飞秒激光制备硫系掺杂硅及其光电特性研究

发布时间：2020-03-18 23:40

【摘要】：晶体硅因其地壳含量丰富、易集成等优点被广泛使用于光电领域,然而,它在0.25~2.5μm波段的高反射率严重影响了硅基光电探测器的性能,它的禁带宽度又限制了它在红外探测领域的应用。硫系掺杂微结构硅克服了这些缺点而具有宽谱高吸收特点,使其在红外探测领域具有潜在应用价值。硫系掺杂硅可在含硫族元素的气体环境下通过激光辐射单晶硅表面获得;也可通过高能离子注入后再用激光熔凝技术获得;还可通过激光辐射表面镀有硫系薄膜的硅材料获得。然而,气体环境下掺杂仅能实现硫元素掺杂,而S掺杂硅经高温退火后在红外波段的吸收率大幅度下降;离子注入掺杂价格昂贵,且离子注入后在其表面留下了大量非晶硅;固体膜层掺杂经济实惠、易操作,且有多种杂质源可选择。基于此,本文采用飞秒激光脉冲辐射表面镀有Se、Te杂质膜层的单晶硅制备Se、Te掺杂硅,并围绕制备方法、材料的光电性能、相应光电二极管的制作及其光电响应特性等方面展开了大量研究工作。研究的主要内容及取得的主要结果如下:1.基于密度泛函理论系统分析了S、Se、Te掺杂硅在不同掺杂浓度下的晶体结构、能带结构及光学吸收特性。计算结果表明替代位掺杂后晶格产生了畸变,S掺杂硅和Te掺杂硅的晶格畸变程度和杂质形成能都随掺杂浓度的增加而增大,而Se掺杂硅在掺杂浓度达到1.56%时晶格畸变程度最小且杂质形成能最低。硫系掺杂硅中出现了中间能带且中间带的出现有利于红外光子的吸收。计算证实了硫系掺杂硅材料的能带结构和光吸收系数均与掺杂浓度有关:中间带带宽和禁带能隙都随掺杂浓度的提高而展宽;而掺杂浓度达1.04%左右时硫系掺杂硅在可见至红外波段的吸收率最高。2.利用飞秒激光辐射表面镀有Si:Se双层薄膜的硅材料制备超饱和Se掺杂微结构硅。研究了最外层的Si膜在激光辐射期间对Se膜所起的保护作用,最终使掺杂浓度有所提高且光电特性有所改善:红外波段吸收率提高了5%且载流子浓度也有所增加。此外还研究了加工参数(扫描速度、激光能量密度和背景气体压强)对Se掺杂硅的表面形貌及光电特性的影响。实验结果表明表面微结构的纵横比和可见至近红外波段的吸收率都随着扫描速度的降低而增大,当扫描速度为0.5mm/s时,400~1100nm波段的吸收率可达96%,1100~2200nm波段的吸收率可达92%,但材料的电学性能却随扫描速度的降低而变差。当激光能量密度为4.5kJ/m~2时制备出的Se掺杂硅具有最大吸收率和载流子密度,激光能量密度过高或过低都将使材料的红外吸收率和载流子面密度下降。Se掺杂硅材料在红外波段的吸收率及载流子面密度都随背景气体压强的增大而增大。3.选用光电性能较好的Se掺杂硅材料制作简易n~+-n型光电二极管。研究了退火温度和反向偏置电压对光电二极管近红外(@1064nm)响应率的影响。当退火温度达到500℃时,光电二极管具有最佳整流特性和光响应特性,当反向偏置电压达到12V时,波长1064 nm处获得了2.41A/W的响应率。反向偏压从0增加到10V时,近红外光电响应率随着偏置电压的增加呈线性增加;反向偏压从10增加到12V时,响应率呈非线性增加。该二极管在偏置电压达-5V时的外量子效率(EQE)已达100%,偏置电压为-12V时EQE可达280%,暗示着该器件内部存在着导电增益,通过理论计算推断其增益机制属于光电导增益。4.采用飞秒激光脉冲辐射表面镀有Si-Se、Si-Te双层薄膜的硅材料制备Se掺杂硅及Te掺杂硅,两种材料在相同的实验条件下制备而成,对比分析了两者在表面形貌、光学特性及近红外响应特性方面的差异。两者具有相似的表面微结构,且对近红外区域的光子都显示出较强的吸收率。热退火将导致材料对近红外区域光子吸收率的下降,Te掺杂硅的衰减程度更小,即Te掺杂硅显示出更好的耐退火特性。为分析产生这个差异的原因,文中采用Arrhenius方程对实验中测得的吸收率进行拟合,考虑到方程中的热激活能和指数因子分别与Si-X(S/Se/Te)键的稳定性和杂质的扩散率有关,拟合结果分析表明两者耐退火特性产生差异的原因主要是Te原子在硅晶格中的扩散速率更慢。用这两种材料制作n~+-n型光电二极管,利用傅立叶红外光谱仪测试了它们的光电导率响应谱,计算并分析了Se掺杂硅及Te掺杂硅材料中有可能存在的杂质能级,结果表明Se掺杂硅中有可能存在由Se_c~0(X_1)(116meV)和Se_2~+(390meV)引入的杂质能级,而Te掺杂硅中有可能存在由Te~+(411meV)、Te_c~0(X_1)(92meV)、Te_c~+(X_1)(364meV)和Te_c~+(X_2)(173meV)引入的杂质能级。此外,Te掺杂硅光电二极管在近红外波段具有更高的光电流响应,这表明相比Se掺杂硅而言,Te掺杂硅更适合用作硅基红外光电探测器的候选材料。
【图文】：

准周期性,尖锥,光学性质,吸收系数

图 1-1 黑硅的结构及光学性质(a)表面准周期性尖锥阵;(b)吸收系数[57] 飞秒激光制备掺杂硅的主要机制及特点飞秒激光脉冲辐射单晶硅后，在回到原来的热平衡状态前硅材料将经历

分布图,元素掺杂,态密度,分布图

K. Sánchez 等人[68]利用第一性原理研究了硫系元素（S，Se，Te）以 0.5 at%替代位掺杂晶体硅的电子结构(图1-2)及光学性质，结果表明硫系元素的超饱和掺杂会在硅禁带中引入宽约 0.22 eV（碲约为 0.25 eV）的中间能带，该中间能带有利于低能光子的吸收。他们还进一步研究了硫系元素和B、Al等三族元素共掺杂硅材料的电子结构及光学性质(图1-3和图 1-4），，通过第一性原理计算发现 B 和 Al 的引入未显著改变其能带结构，但能控制中间带的占用；由于中间带被占用后降低了电子从中间带跃迁到导带的机率，使得共掺杂硅材料对小于硅禁带宽度的低能光子的吸收系数有所降低，如图1-4 所示。这一系列研究都为实验上制备硫系超饱和掺杂硅材料提供了理论基础。图 1-2 硫系元素掺杂硅的态密度分布图[68](a)SSi; (b)SeSi; (c)TeSi
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN304.12

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