飞秒激光过渡金属的过饱和掺杂黑硅的研究

发布时间：2020-06-06 08:01

【摘要】：在光电子领域半导体硅材料占据主导地位,这是由于硅材料具有成本较低和现代标准COMS工艺兼容性较好的优势;但是硅由于带隙限制使其对高于1.1μm波段红外光吸收很低,因此硅材料不适合应用在红外探测领域。通过飞秒激光辐照方法制备的过饱和硫掺杂黑硅材料的红外吸收率可高达90%以上,高红外吸收率的黑硅材料为硅材料在红外探测方面应用提供了有力的支持;但硫掺杂黑硅材料热退火处理后其具有较差红外吸收率热稳定性;与此同时,过饱和掺杂的硫杂质会引入较高的自由载流子浓度使其器件具有较大的背景噪声;其中热退火处理为制备器件的一个必要过程。因此我们仍难制备出具有高响应的黑硅材料探测器件。而过渡金属元素金在硅带隙中施主和受主两种杂质能级具有补偿效应,可以降低其自由载流子浓度,从而降低器件的暗电流,以提高器件响应度。因此,我们通过飞秒激光辐照方法制备出过饱和金掺杂黑硅材料,希望制备出载流子浓度较低和热稳定性质红外吸收较好的黑硅材料。本文研究发现,飞秒激光辐照后过饱和金掺杂黑硅在0.25μm-2.5μm波段光吸收率均高于单晶硅衬底的光吸收率;在1.1μm-1.8μm波段过饱和金掺杂黑硅材料红外吸收率高于50%,并且红外吸收率随着激光功率的增加而呈下降趋势以及其具有较好的红外吸收热稳定性;其红外吸收率的提高是由引入的结构缺陷态和金深杂质能级子带隙跃迁共同作用的结果。另外,当金掺黑硅层中掺杂深度100nm-250nm时金杂质浓度可达10~(19)cm~(-3)以上,而其具有极低的表面自由载流子浓度10~(10)cm~(-2)-10~(11)cm~(-2),其是由金杂质能级间自补偿作用的结果;与此同时,在金掺杂黑硅层表面形成了硅金合金相。我们通过变温霍尔效应测试分析发现金掺杂黑硅层中金杂质电离能为612me V;我们还可发现金掺杂黑硅层霍尔系数符号是由激光功率参数和霍尔测试温度共同作用的结果,而在霍尔测试温度持续升高过程中,霍尔系数符号出现了由正到负的转变说明此时黑硅层中金杂质为受主杂质能级起主要作用。最后,我们发现在反向偏压为-10V时,金掺杂黑硅器件对1310nm波长光的响应度最高可达4.6mA/W。
【图文】：

表面形貌,硅基光电子器件,生活中,太阳电池

图 1.1 生活中硅基光电子器件的应用：(a)集成电路；(b)太阳电池；(c)探测器；(d)光波导图 1.2 过饱和硫掺杂硅材料表面形貌1998 年，美国哈佛大学 Mazur 组在六氟化硫气体氛围下用飞秒激光辐衬底，首次制备出过饱和硫掺杂的硅材料，该材料在飞秒激光辐照后表

表面形貌,硅材料,过饱和,表面形貌

图 1.2 过饱和硫掺杂硅材料表面形貌98 年，美国哈佛大学 Mazur 组在六氟化硫气体氛围下用飞秒激光底，，首次制备出过饱和硫掺杂的硅材料，该材料在飞秒激光辐照后另外，在该材料的表面观测到呈周期性分布的尖锥结构，尖锥结构级，高度约为十几微米左右，如图 1.2 所示；其中，与表面呈 45表面形貌如图 1.2 的左图所示，与表面平行方向观测到的表面形貌所示[11]；与此同时，Mazur 组研究过程中又发现该材料具有优异的该材料相对于单晶硅衬底来说在 0.25μm-2.5μm 波段的光吸收率有
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【参考文献】