晶体硅的非平衡银掺杂及其光电探测器
发布时间：2022-08-13 15:34
硅基光电子技术有着高速、低成本、低损耗和高集成度的优势,在国家战略和市场需求的带动下,面临着大规模产业化和市场化的历史机遇,是当今时代最具发展前景的技术领域之一。但是,对于集成在波长超过1100nm的光子学电路中的光电探测器,硅材料受到其禁带宽度的限制,被认为不是合适的材料,这大大地制约了硅基光电集成的发展。飞秒激光非平衡掺杂硅材料可以显著改善硅晶体在次带隙波段的光吸收以及光电响应性能,在材料科学领域受到了越来越广泛的关注。但目前基于硅材料制备的光电探测器在近红外波段的响应效率还偏低,远远达不到商用器件的要求,需要进一步地研究和探讨。本文围绕提高非平衡掺杂的硅基光电探测器响应效率这一目标,系统地研究了银原子非平衡掺杂硅材料的制备、基本性质以及在光电探测器上的应用,得到了以下主要创新结果:（1）成功制备了银离子非平衡掺杂硅样品,并研究了其光吸收特性以及引入的杂质缺陷态的性质。通过离子注入以及飞秒激光辐照的工艺,制备了峰值浓度超过1020cm-3的银非平衡掺杂硅样品;在波长300-1800nm范围内对光的吸收率均显著提高,这一方面是由于表面织构化起到了减反的效果,另一方面是由于非平衡掺杂形...
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 研究目的与内容
1.3 本论文结构安排
第二章 文献综述
2.1 引言
2.1.1 硅基光电应用
2.1.2 超短脉冲激光器的发展历史
2.2 飞秒激光与硅的相互作用
2.2.1 飞秒激光与硅相互作用的物理机制
2.2.2 飞秒激光加工与纳秒激光加工的对比
2.2.3 飞秒激光非平衡掺杂
2.2.4 飞秒激光刻蚀
2.3 非平衡掺杂硅材料的研究进展
2.3.1 中间带的表征
2.3.2 载流子寿命、迁移率以及光吸收系数的测试
2.3.3 次带隙吸收的退火失活效应
2.3.4 次带隙光电响应
2.3.5 飞秒激光掺杂的工艺控制
2.3.6 如何寻找合适的非平衡掺杂剂
2.4 存在的主要问题
第三章 实验样品和研究方法
3.1 银非平衡掺杂硅的制备过程
3.1.1 硅片的清洗
3.1.2 前驱层的制备
3.1.3 飞秒激光掺杂
3.2 Si:Ag光电探测器的制备过程
3.3 表征测试方法
3.3.1 深能级瞬态谱
3.3.2 二次离子质谱
3.3.3 霍尔效应测试仪
3.3.4 少子寿命测试仪
3.3.5 拉曼光谱
3.3.6 光电探测器的性能指标及测试
第四章 银非平衡掺杂硅的光吸收性质及缺陷态研究
4.1 引言
4.2 实验
4.3 实验结果与讨论
4.3.1 Si:Ag样品的结构及表面形貌
4.3.2 Si:Ag样品的光学性质
4.3.3 次带隙吸收随退火条件的变化
4.3.4 Si:Ag样品中的缺陷能级
4.4 本章小结
第五章 缺陷态辅助响应增益的Si:Ag光电探测器
5.1 引言
5.2 实验
5.3 实验结果与讨论
5.3.1 Si:Ag样品的结构及光吸收性质
5.3.2 Si:Ag光电探测器中的光电导增益
5.3.3 Si:Ag中的杂质缺陷
5.3.4 Si:Ag光电探测器的工作原理
5.3.5 Si:Ag光电探测器的性能
5.3.6 氧化铝钝化对Si:Ag光电探测器性能的影响
5.4 本章小结
第六章 具有短波截止特性的近红外Si:Ag光电探测器
6.1 引言
6.2 实验
6.3 实验结果与讨论
6.3.1 Si:Ag样品的次带隙吸收特性
6.3.2 Si:Ag探测器的光电响应特性
6.3.3 Si:Ag样品的表面缺陷及体缺陷
6.3.4 Si:Ag光电探测器短波截止的机理
6.3.5 Si:Ag光电探测器近红外光电响应的机理
6.3.6 Si:Ag光电探测器的性能
6.4 本章小结
第七章 Si:Ag/Gr光电导型探测器的性能研究
7.1 引言
7.2 实验
7.3 实验结果与讨论
7.3.1 Si:Ag/Gr光电导探测器的光电响应性能
7.3.2 Pt NPs对器件光电响应的影响
7.4 本章小结
第八章 总结
8.1 结论
8.2 展望
参考文献
致谢
个人简介
攻读学位期间发表的学术论文及其它研究成果
【参考文献】：
博士论文
[1]飞秒激光诱导硅表面微纳结构研究[D]. 杨明.南开大学 2014
硕士论文
[1]石墨烯光电器件性能优化研究[D]. 胡明.浙江大学 2018
本文编号：3677299
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 研究目的与内容
1.3 本论文结构安排
第二章 文献综述
2.1 引言
2.1.1 硅基光电应用
2.1.2 超短脉冲激光器的发展历史
2.2 飞秒激光与硅的相互作用
2.2.1 飞秒激光与硅相互作用的物理机制
2.2.2 飞秒激光加工与纳秒激光加工的对比
2.2.3 飞秒激光非平衡掺杂
2.2.4 飞秒激光刻蚀
2.3 非平衡掺杂硅材料的研究进展
2.3.1 中间带的表征
2.3.2 载流子寿命、迁移率以及光吸收系数的测试
2.3.3 次带隙吸收的退火失活效应
2.3.4 次带隙光电响应
2.3.5 飞秒激光掺杂的工艺控制
2.3.6 如何寻找合适的非平衡掺杂剂
2.4 存在的主要问题
第三章 实验样品和研究方法
3.1 银非平衡掺杂硅的制备过程
3.1.1 硅片的清洗
3.1.2 前驱层的制备
3.1.3 飞秒激光掺杂
3.2 Si:Ag光电探测器的制备过程
3.3 表征测试方法
3.3.1 深能级瞬态谱
3.3.2 二次离子质谱
3.3.3 霍尔效应测试仪
3.3.4 少子寿命测试仪
3.3.5 拉曼光谱
3.3.6 光电探测器的性能指标及测试
第四章 银非平衡掺杂硅的光吸收性质及缺陷态研究
4.1 引言
4.2 实验
4.3 实验结果与讨论
4.3.1 Si:Ag样品的结构及表面形貌
4.3.2 Si:Ag样品的光学性质
4.3.3 次带隙吸收随退火条件的变化
4.3.4 Si:Ag样品中的缺陷能级
4.4 本章小结
第五章 缺陷态辅助响应增益的Si:Ag光电探测器
5.1 引言
5.2 实验
5.3 实验结果与讨论
5.3.1 Si:Ag样品的结构及光吸收性质
5.3.2 Si:Ag光电探测器中的光电导增益
5.3.3 Si:Ag中的杂质缺陷
5.3.4 Si:Ag光电探测器的工作原理
5.3.5 Si:Ag光电探测器的性能
5.3.6 氧化铝钝化对Si:Ag光电探测器性能的影响
5.4 本章小结
第六章 具有短波截止特性的近红外Si:Ag光电探测器
6.1 引言
6.2 实验
6.3 实验结果与讨论
6.3.1 Si:Ag样品的次带隙吸收特性
6.3.2 Si:Ag探测器的光电响应特性
6.3.3 Si:Ag样品的表面缺陷及体缺陷
6.3.4 Si:Ag光电探测器短波截止的机理
6.3.5 Si:Ag光电探测器近红外光电响应的机理
6.3.6 Si:Ag光电探测器的性能
6.4 本章小结
第七章 Si:Ag/Gr光电导型探测器的性能研究
7.1 引言
7.2 实验
7.3 实验结果与讨论
7.3.1 Si:Ag/Gr光电导探测器的光电响应性能
7.3.2 Pt NPs对器件光电响应的影响
7.4 本章小结
第八章 总结
8.1 结论
8.2 展望
参考文献
致谢
个人简介
攻读学位期间发表的学术论文及其它研究成果
【参考文献】：
博士论文
[1]飞秒激光诱导硅表面微纳结构研究[D]. 杨明.南开大学 2014
硕士论文
[1]石墨烯光电器件性能优化研究[D]. 胡明.浙江大学 2018
本文编号：3677299
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3677299.html
