脉冲激光黑硅材料的制备及红外光电器件研究

发布时间：2024-03-23 12:01

　　硅基光子技术因具有速度快、容量大、成本低、易集成等优点而受到广泛关注。在过去的二十年中,硅基光子产业蓬勃发展,越来越多的硅基光子器件被应用到光通讯及光互连领域中。硅基光子器件通常工作在通讯光波段,如1310 nm、1550 nm。目前,在各类硅基光子器件中,人们已经成功制备出低损耗光波导、高品质因数谐振腔、高速度调制器以及光泵浦激光器;而阻碍硅基光子技术发展的一个重要难题就是高效率硅基光电探测器件的制备。体结构硅基光电探测器发展已久、工艺成熟。然而,商用的探测器件的工作波长处于1100 nm以内。这是因为单晶硅的禁带宽度为1.12 eV,对波长大于1100 nm的光透明,因此无法在通讯光波段实现光电转换。脉冲激光黑硅材料的发现为这一困境带来了转折点。大约20年前,人们发现在六氟化硫气氛中利用飞秒激光辐照单晶硅表面,可以制备出表面微结构化的黑硅材料。这种材料在0.25μm⁶.0μm波段范围内的吸收率均可达到90%以上。利用脉冲激光黑硅材料制备的体结构光电二极管对1310 nm光的响应度可以达到50 mA/W。虽然脉冲激光黑硅应用潜力巨大,但在过去的20年中却发展缓慢...

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【部分图文】：

图1.1脉冲激光辐照后半导体电子与晶格经历的四个物理过程

在过去的半个世纪里，脉冲激光技术取得了长足发展。激光器的制造成本逐年降低、操作便利性逐年提高，这为脉冲激光的广泛应用打下了基础。超短脉冲激光主要包括飞秒激光（1fs=10-15s）、皮秒激光（1ps=10-12s）、纳秒激光（1ns=10-9s），目前，已经朝着阿秒（1a....

图1.2纳秒激光（a）与飞秒激光（b）与物质作用过程对比

为不同激光能量密度对应的烧蚀速率。由于多种物理过程的竞争，导致烧蚀过程随激射的增加呈现非线性变化。我们可以使用Kuramoto-Sivashinsky形式的方程来描述响应的褶皱过程[19]：式中，为激光烧蚀速率；第二项表示褶皱高度与烧蚀速率间的线性关系；第三项表示褶皱高度....

图1.3脉冲激光退火法实现CVD沉积非晶硅表层再晶化

通过皮秒激光辐照，沉积层中的部分非晶硅会转化为多晶硅，如图1.3所示。在这个过程中，皮秒激光退火使对传统CVD法进行补足，使得加工过程得到简化。1.2黑硅材料的研究现状在本小节中，我们首先对黑硅材料的概念及制备方法进行简要介绍，然后着重讲解了脉冲激光黑硅的发展历程，具体内....

图1.4不同黑硅制备方法的原理示意图（a）反应离子刻蚀法（b）金属辅助化学刻蚀法（c）电化学刻蚀法（d）脉冲激光烧蚀法

超高的反射率会降低器件效率。如果能将反射的能量利用起来，硅基器件的性能将得到进一步的提升。为了实现这个目的，人们在单晶硅表面蒸镀减反膜或制备微纳结构来降低硅的表面反射率。蒸镀减反膜的方法只针对特定波长的光才起作用；而制备微纳结构则可以在广谱范围内起到减反射作用，使硅材料的光吸收率....

本文编号：3935889