微结构硅基近红外材料及其光电特性研究

发布时间：2017-12-17 09:01

  本文关键词：微结构硅基近红外材料及其光电特性研究

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【摘要】：目前按照芯片材料的种类,成像传感器大致可分为基于硅基芯片材料的可见光成像传感器和基于非硅基芯片材料的红外光成像传感器。相比于非硅基成像传感器(例如InGaAs/HgCdTe材料),硅基成像传感器具有制造工艺更加成熟、成本低廉、器件结构简单、能室温下工作、抗环境能力强等众多非硅基成像传感器无法比拟的优点。虽然目前硅基成像传感器已经被广泛应用于人们的日常生活中(例如手机摄像头、单反相机的核心成像元件都是由硅基CMOS成像传感器制成的),但是它的感光区域主要集中于可见波段(1.1μm),这严重限制了它在红外波段的应用。美国哈弗大学的科学家成功制备了一种具有表面微结构的新型硅基材料,被称为“黑硅”材料,它是经过飞秒激光加工形成的众多超细钉状物的表面微结构。此种材料表面层的微结构和内部高浓度掺杂离子形成的中间能级使得它在可见光和近红外光区域都具有极低的反射和极高的吸收两大特点。因此和传统的硅基探测器相比,黑硅探测器具有如下两方面极为诱人的性能:(1)更高的响应度;(2)更宽的可见到近红外探测谱段。结合硅基成像传感器能够克服非硅基红外成像传感器制作工艺和器件结构复杂(例如它与硅的晶格常数不匹配导致它与硅基读出电路之间常需要复杂的铟柱连接等工艺)、成本高、抗环境能力差等缺点,黑硅近红外成像传感器在军事和民用领域都将具有更为广阔的应用前景。本文采用飞秒激光在特殊气氛环境下加工新型硅基微结构可见-近红外光电材料,针对传统硅基成像传感器在近红外波段响应弱、无法实现近红外探测成像的现实问题,对新型硅基近红外高吸收材料的光学特性以及光电响应特性进行研究,探索新型硅基材料在可见-近红外波段光吸收特性以及光电响应特性的增强机理,希望获得在可见-近红外波段拥有更高吸收和更宽响应波长的新型硅基近红外光电材料。论文主要工作如下:1.采用飞秒激光在sf6气氛下加工新型硅基微结构材料,研究黑硅微结构形貌与飞秒激光加工物理过程的关系,以及飞秒激光加工黑硅表面微结构对于黑硅在可见-近红外光吸收的增强作用;探索飞秒激光sf6气氛环境下硅基底中过饱和掺杂s元素对于黑硅宽光谱吸收特性的影响;通过研究飞秒激光辐照能量密度,加工气氛环境等因素对于微结构形貌的形成及s元素掺杂的作用,探索可见-近红外高吸收黑硅材料的制作方法。在深入研究飞秒激光加工黑硅材料物理过程的基础上,获得了在可见-近红外波段具有一致的高吸收特性的黑硅材料,从400nm-2500nm宽光谱平均反射率低于5%,平均吸收高于90%。提出一种基于高掺杂浓度基底制备的具有红外吸收高温稳定性的黑硅。2.研究了黑硅表面银纳米颗粒的形成机理及其对于红外光吸收的影响:我们利用电子束蒸发的手段和薄膜沉积的阴影效应,在黑硅微结构表面成功制备了大量随机分布的不规则银纳米颗粒;这些银纳米颗粒弥补了低激光功率密度下制备的小尺寸硅基表面微结构对近红外波段光吸收的不足,能够使具有小尺寸表面微结构的硅基在近红外宽波段的吸收率增加到90%;针对黑硅高温退火后红外吸收退化的问题,提出了利用金属纳米颗粒形成等离子激元共振的方法来补偿黑硅材料在经过高温退火后红外吸收退化,在高温退火后补偿黑硅材料在红外波段的吸收效率。3.研究了黑硅光电材料在可见-近红外高光电响应获得的机理:基底掺杂类型以及浓度对于黑硅s元素过饱和掺杂和黑硅光电材料光电子的影响;研究了飞秒激光加工物理过程中导致的晶格缺陷以及形成的多晶硅的原因,探索了降低缺陷以提高光响应特性的方法;高温热处理过程对于飞秒激光加工过程导致的晶格缺陷和形成的多晶硅修复作用,以及对于黑硅光电材料光电子提取的影响。在深入研究黑硅光电材料在可见-近红外高光电响应获得机理后,以此为基础获得了光响应特性比普通商用硅探测器高几十倍并且在红外波段拓展响应波段的新型硅基近红外高响应材料——我们研究的黑硅光电探测器在400-1100nm波段内平均响应度高达14.3a/w,最高点的响应度为24.5a/w,在1200-1500nm红外波段内的平均响应度为71mA/W。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN21;TN304;TN36

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本文编号：1299489