硫离子注入单晶硅的响应波段拓展及其光电性能研究
发布时间：2020-08-18 09:14
【摘要】：硅材料是集成电路的材料基础,是当代信息产业的重要支柱材料,从晶体管到计算机的发展和更新换代乃至现在通讯网络的发展和进步,均与硅单晶息息相关,其质量和尺寸也在不断提升,硅基电子产品已经深入到各个学科和领域,所制备的半导体器件已经发展到了摩尔定律的边缘。上世纪80年代,Soref等人首次提出了硅光子学的概念,其核心是将硅的光学器件集成到光学芯片中,形成光子处理的的信息功能器件。硅基光子学器件可以借助硅基电子学的进步和发展,实现硅基光子学和硅基电子学的无缝衔接,并开发出大规模集成技术,对其研究有重要的科学意义和实用前景。硅的禁带宽度为1.12 eV且是间接带隙,决定了其响应波段仅在波长小于1.1μm的区域,同时,硅材料具有中心对称的结构,决定其不能以线性电光效应实现电学调制,这无疑限制了硅基光子学的进步和发展。光子学的基础主要包括光源、调制器件和探测器件。基于受激拉曼散射、能带调制及各种硅基衬底的半导体生长技术,硅基光源发展较多,而硅基光调制器主要集中于能带调制的主动调制方面,通讯波段和波长更长的中红外波段处于探索阶段,硅基探测器件相对研究较少,特别是在通讯波段和中远红外波段更是稀缺。顺应硅基光电子学的发展潮流,本论文集中于硅基调制器件和探测器件方面,采取了离子注入方法在单晶硅中注入硫离子,在本征硅原有的带隙中引入一个杂质能级,改变了硅原有的能级结构,拓展了硅的波长响应范围;测试与表征了离子注入后的硅的光学性质,注重其在通讯波段和中红外波段方面;将制备的样品应用到1.3 μm、1.4 μm和2 μm处被动光开关方面,设计了通讯波段到中红外波段的宽波段硅基被动光开关,实现了这三类波段的脉冲调制,获得了脉冲激光输出;制备了硅基光电探测器,探索了其通讯波段到中红外2 μm波段的光电探测性能,为其光电子学应用奠定了基础。具体工作如下:1.硫离子注入单晶硅样品的制备与表征前期理论表面,向单晶硅中掺杂硫族元素可在硅原本1.12 eV间隙中引入一个有宽度的杂质能级,随着掺杂浓度升高,杂质能级将不断变宽并逐渐与导带接近、融合,从而实现将硅材料从半导体态转变成金属态,禁带宽度决定半导体的响应波长,因此硫族元素的掺杂浓度可对硅的能级结构进行调制,进而调整硅的响应波长范围。以离子注入的方法在单晶硅中掺杂硫离子,注入能量为95 keV,注入剂量(3、5、7、9)× ×1015cm-2,以SRIM软件理论研究了掺杂浓度和深度,并通过二次离子质谱分析,得到了不同样品在硅片中浓度随深度分布的曲线,实验和理论结果基本一致。高分辨X衍射光谱的摇摆曲线和拉曼光谱发现随注入剂量的增高,硅片样品的结晶度下降,可能调节其光电性能。透过光谱研究显示经过硫离子注入后的样品比纯的本征硅片有两个波段出现吸收增强:从1.1 μm-1.7μm和1.7 μm-7 μm波段,根据其理论计算结果,1.1μm-1.7μm吸收增强由从价带到杂质能级和从杂质能级到导带两部分的电子跃迁组成,1.7 μm-7μm的吸收增强主要来自于从杂质能级到导带的电子跃迁。2.硫离子注入硅片样品的非线性可饱和吸收性能面向宽波段光开关应用,以Z扫描的方法和功率变化的方式,分别研究了所制备的硫离子注入硅片在1.55 μm通讯波段和2 μm中红外波段的非线性吸收特性,由于电子为费米子特性需遵循泡利不相容原则,所制备样品具有可饱和吸收特性,在1.55 μm处,非线性吸收系数β为-0.834、可饱和光强为3.19 MW/cm-2,在2 μm处,其最小可饱和光强度为0.52 kW/Cm-2对应调制深度为8.18%,此外我们发现,随着硫离子掺杂浓度的增加,调制深度和饱和光强都整体呈上升趋势,结果表明所制备的硅材料有优秀的可饱和吸收性能、小的可饱和吸收强度,可在较小的光源照射下工作,损耗小且产热少,有成为优秀被动光调制器件的潜力。3.硫离子注入硅片的被动光开关性能的研究以硫离子注入硅片的可饱和吸收性能为基础,将该样品应用于全固态激光方面,用以被动光开关实现光调制,产生被动调Q脉冲激光输出。实现了波长为1.34μm、1.42 μm和1.94 μm的被动调Q脉冲激光输出,所获得的最窄的脉冲宽度分别为402 ns、167 ns和144 ns,最高的脉冲重复频率分别为245.5 kHz、75.76 kHz和88.60 kHz,最大的脉冲能量分别为210 nJ、220 nJ和1825 nJ。验证了硫离子注入的硅片的光开关性能,可作为从近红外到中外的的宽波段的被动光调制器件,为超快脉冲产生领域提供了新的材料选择,也为未来在红外波段的硅基光信号处理通讯等领域提供了思路启发。4.硫离子注入硅片的光电探测性能的研究从能级结构的理论和实验出发,发现硫离子注入硅片的响应波长可拓展至中红外波段,可能制备宽波段硅基光电探测器件。在此基础上,制备了光电探测器件,研究了其在波长1.34 μm、2μ 和2.8 μm处的的光电探测性能;发现其在各个波段均有不同的光电响应,且不同偏置电压方向下,器件的光电响应并不对称,并在特定偏置电压下产生了光生电流为负数的现象,原因可能与电极处的肖特基势垒不对称和热电效应有关;掺杂浓度居中的样品显示出了最佳的性能参数,可能是由于注入离子浓度对晶格破坏的破坏降低了载流子迁移率的结果。相关物理机制有待于接下来工作的更进一步的深入研究。综上所述,为了拓展单晶硅的应用波段,通过离子注入,在硅带隙中引入杂质能级,将硅材料的波长响应范围拓展到了中红外波段,实现了其线性和非线性光学性能表征,应用于光开关和光电探测方面,实现了其宽波段脉冲激光调制和光电探测,所制备器件可能在光开关和光探测方面有潜在的重要应用前景。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O613.72;TN40
【图文】：
图１－１硅的丰度与金刚石结构逡逑在元素周期表中，硅元素位于第三周期，第ＩＶ族的第二个元素，是已知的逡逑１２个具有半导体性质的元素（硼、碳、硅、锗、锡、磷、砷、锑、硫、硒、碲、逡逑碘）中最重要的半导体。在自然界中，硅的同位素有３种，所占的比例分别是２８Ｓｉ逡逑
艺越来越接近最终带宽限制［１７］，技术将变得越来越昂贵。更多的并行通道可以逡逑提高总数据速率。与增加并行电子信道的数量相比，光通信的转换成本更低（见逡逑图１－２）。麻省理工学院微光子路线图［１７］建议的光子技术通常发生在１０ＧＨｚ／ｍ逡逑对应１．２邋Ｇｂｉｔｓ—Ｗ１。图１－２比较了几种技术。在计算机背板和显示视频中使用的逡逑总线技术是最能从光通信转换到光通信的性能改进中获益的领域。事实上，逡逑ＳＤＲＡＭ己经在总线中使用许多并行通道来实现当前的性能（如图１－２）。逡逑ｉ0６ｉ逦ｒ＼逡逑１００Ｇｂａｓｅ－Ｘ－Ｃｕ逦—邋ｆ邋＼逡逑１０邋’逦ＤＤＲ３邋＼逦，ｏｎ９逡逑５：逡逑？逦ＤＤＲ２邋’逡逑ｌｎ１邋Ｓ＿邋%煎危苠澹洌椋螅穑欤幔濉㈠义希保板危觯椋洌澹镥义希唬澹欤澹悖簦颍铮睿椋悖箦义希保
本文编号：2796027
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O613.72;TN40
【图文】：
图１－１硅的丰度与金刚石结构逡逑在元素周期表中，硅元素位于第三周期，第ＩＶ族的第二个元素，是已知的逡逑１２个具有半导体性质的元素（硼、碳、硅、锗、锡、磷、砷、锑、硫、硒、碲、逡逑碘）中最重要的半导体。在自然界中，硅的同位素有３种，所占的比例分别是２８Ｓｉ逡逑
艺越来越接近最终带宽限制［１７］，技术将变得越来越昂贵。更多的并行通道可以逡逑提高总数据速率。与增加并行电子信道的数量相比，光通信的转换成本更低（见逡逑图１－２）。麻省理工学院微光子路线图［１７］建议的光子技术通常发生在１０ＧＨｚ／ｍ逡逑对应１．２邋Ｇｂｉｔｓ—Ｗ１。图１－２比较了几种技术。在计算机背板和显示视频中使用的逡逑总线技术是最能从光通信转换到光通信的性能改进中获益的领域。事实上，逡逑ＳＤＲＡＭ己经在总线中使用许多并行通道来实现当前的性能（如图１－２）。逡逑ｉ0６ｉ逦ｒ＼逡逑１００Ｇｂａｓｅ－Ｘ－Ｃｕ逦—邋ｆ邋＼逡逑１０邋’逦ＤＤＲ３邋＼逦，ｏｎ９逡逑５：逡逑？逦ＤＤＲ２邋’逡逑ｌｎ１邋Ｓ＿邋%煎危苠澹洌椋螅穑欤幔濉㈠义希保板危觯椋洌澹镥义希唬澹欤澹悖簦颍铮睿椋悖箦义希保
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