Ⅵ族元素掺杂硅材料的制备及其性能研究

发布时间：2021-08-18 00:33

　　晶体硅表面的高反射率使硅基探测器对光的响应率大大降低,同时硅的禁带宽度限制了它在近红外波段的拓展应用。Ⅵ族元素掺杂黑硅的出现改善了这一问题,它具有宽光谱高吸收的特性。因此,黑硅材料在光电探测和光电池等领域有着非常广阔的应用前景。本文利用飞秒激光刻蚀的方法,实现了S、Se掺杂黑硅以及（S、Se）共掺黑硅的制备。本文首先详细地描述了掺杂黑硅的制备工艺:包括固体膜层的制备、飞秒激光辐照刻蚀微结构硅、电极的制备等;为了实现（S、Se）共掺黑硅的制备,本文采用气体环境掺杂和固体膜层掺杂相结合的方法。在搭建飞秒激光的刻蚀光路系统中,实现了对光斑直径、能量密度、重复频率等参数的控制,并探究了飞秒激光重复频率对掺杂黑硅的影响。接着,分析了退火工艺,确定了S、Se掺杂黑硅以及（S、Se）共掺黑硅的退火气氛、退火时间和退火温度。对于黑硅样品的测试包括表面形貌、吸收光谱、霍尔效应和光敏特性等,并系统地研究了S、Se掺杂黑硅以及（S、Se）共掺黑硅的光学特性和电学特性。黑硅的表面形貌分析表明,S掺杂黑硅以及（S、Se）共掺黑硅表面具有尖锥结构,Se掺杂黑硅表面具有柱状结构。这与在不同气体环境下刻蚀有关,尖锥结... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

黑硅材料表面的尖锥结构

1100nm 以上波长入射光的探测方面，主要使用的是锗、碲镉汞、铟镓砷等材料，然而它们都有一定的局限性。这些材料成本较高，热力学性能较差，与当今的硅基工艺兼容性也较差，限制了它在器件方面中的应用，从而无法进行大批量的生产，难以用于商业化，黑硅的发现为解决这一难题提供了新的思路[7]，在半导体领域引起了广泛的关注。1.2 黑硅的国内外研究现状自 1998 年黑硅被发现以来，国内外众多的研究小组对其进行了大量的研究。与许多其他黑硅材料制备技术相比，飞秒激光的刻蚀精度较高，加工时间较短，并且操作较方便[8]。所以飞秒激光刻蚀法制备黑硅成为了国内外长期的研究热点。2000 年，Tsing-Hua Her 等人研究了飞秒激光诱导硅材料产生微结构的影响因素。研究发现，黑硅的表面微结构不受硅衬底的晶向、载流子类型、电阻率的影响，而与飞秒激光的入射方向、偏振方向、入射光功率密度以及脉冲数目有关。表面微结构的尖锥方向与激光的入射方向一致；尖锥的高度和间距随激光的入射光功率密度以及脉冲数目的增加而增大[9]。

大部分的纳米结构消失。通过二次离子质谱法分析发现，相火后黑硅表面 S 元素的浓度明显下降。所以他们推测认为，缺陷并使 S 元素的掺杂浓度降低，从而使其红外吸收率下，Younkin，Carey 和 Mazur 等人详细地研究了在四种不同的气）环境中，利用飞秒激光辐照法得到的微结构硅的表面它们与背景气体都有显著的联系。飞秒激光脉冲刻蚀形成，在 SF6和 Cl2氛围中形成的表面微结构更尖锐，在 N2和构更圆钝，这些微结构上的差异对光吸收的促进作用也会性质如图 1-3 所示。从图中可以看出，不同气体环境下刻蚀段（200~1100 nm）的吸收率没有明显的差别，而在0 nm）,只有在 SF6气体氛围中制备的黑硅，其吸收率可以其他气体（Cl2、N2、空气）中制得的黑硅样品，吸收率下质谱法检查发现，SF6中的 S 元素以很高的浓度掺进了硅材的强吸收特性有着密切的关系。由此可知由背景气体引入波段吸收增强的主要原因。


本文编号：3348823