微结构硅基材料的超饱和掺杂及其光电特性的研究

发布时间：2021-03-01 14:43

　　开发低暗电流、高响应度的低成本近红外光电探测器以应用于通信,安全及自动驾驶等领域近年来备受关注,如在激光通讯、跟踪,制导等领域较为常见的Nd:YAG激光器,其工作波长为1064 nm,需要低成本的高性能探测器件与之匹配。硅,作为宇宙中含量第八的元素,其以丰富的储量、低廉的成本及成熟的工艺已成为了半导体行业的基石。然而,硅的禁带宽度为1.12 eV,其吸收系数随着入射光波长增加至1000 nm后开始急剧下降,这使得硅基光电探测器件难以应用于近红外波段。作为一种能够有效的将硅材料长波吸收限向红外区拓展的手段,在特定气氛环境下,飞秒激光辐照可以于材料表面构建顶部覆盖有超饱和掺杂层的微结构,以特定元素作为掺杂物的该种微结构硅材料在可见至近红外区的宽波段吸收率极高,因此该种材料又被称之为黑硅。在众多掺杂元素之中,硫元素（S）掺杂在多方面均存在显著优势,如掺杂流程简单,掺杂成本低,制备出的微结构均匀性较好等。然而,对于S掺杂黑硅而言,尽管覆盖在黑硅微结构顶部的超饱和掺杂层对材料红外吸收波长拓展所起的作用得到了广泛的认可,但其与微结构相互作用贡献黑硅近红外超高吸收的物理机制仍缺少完善的解释。并且,基... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省

【文章页数】：133 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
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第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 超饱和掺杂微结构硅基材料的研究现状
    1.3 超饱和掺杂微结构硅的理论研究进展
    1.4 新型近红外硅基光电探测器的研制进展
    1.5 论文选题及主要研究内容
第2章 超饱和掺杂硅基材料及器件的理论基础
    2.1 引言
    2.2 飞秒激光与硅的相互作用过程
        2.2.1 载流子激发
        2.2.2 晶格热化及热/非热效应熔融
        2.2.3 材料受激表层再凝固
        2.2.4 硫在硅中的超饱和掺杂
    2.3 硅材料的半导体物理学
        2.3.1 本征吸收与杂质吸收
        2.3.2 复合中心及陷阱中心
    2.4 硅基光电器件的工作机理及主要性能指标
        2.4.1 PN型及PIN型光电二极管
        2.4.2 探测器主要性能指标
    2.5 本章小结
第3章 超饱和掺杂微结构硅的光学特性
    3.1 引言
    3.2 飞秒激光超饱和掺杂微结构硅的制备及改性
        3.2.1 飞秒激光加工
        3.2.2 反应离子刻蚀
        3.2.3 高温热退火
    3.3 微结构顶部超饱和掺杂层对材料光学特性的影响
        3.3.1 超饱和掺杂微结构硅的表面形貌
        3.3.2 超饱和掺杂微结构硅的掺杂物浓度-深度分布
        3.3.3 超饱和掺杂微结构硅的光谱特性
    3.4 超饱和掺杂微结构硅表层晶体质量对其光学特性的影响
    3.5 本章小结
第4章 超饱和掺杂硅基微结构的近红外超吸收特性
    4.1 引言
    4.2 超饱和掺杂硅基微结构
        4.2.1 离子注入
        4.2.2 折射率及消光系数提取
    4.3 超饱和掺杂硅基微结构
        4.3.1 计算模型构建
        4.3.2 计算结果分析
    4.5 本章小结
第5章 超饱和掺杂微结构硅基材料的电学特性
    5.1 引言
    5.2 飞秒激光超饱和掺杂微结构硅基光电探测器的制备及性能分析
        5.2.1 超饱和掺杂微结构硅基光电探测器的制备
        5.2.2 超饱和掺杂微结构硅基光电探测器的表面形貌
        5.2.3 超饱和掺杂微结构硅基光电探测器的光学特性
        5.2.4 超饱和掺杂微结构硅基光电探测器的电流-电压特性
    5.3 超饱和掺杂硅基微结构对器件光电性能的影响
        5.3.1 超饱和掺杂微结构硅基光电探测器的改性与表征
        5.3.2 掺杂物浓度-深度分布对探测器电学特性的影响
        5.3.3 相变无序层对器件电学特性的影响
    5.4 双面黑硅化PIN型光电二极管的制备及性能分析
        5.4.1 双面黑硅化光电二极管的制备
        5.4.2 双面黑硅化光电二极管的暗场I-V特性
        5.4.3 双面黑硅化光电二极管的近红外光谱响应
    5.5 本章小结
第6章 超饱和掺杂微结构基CMOS图像传感芯片的制备及性能
    6.1 引言
    6.2 超饱和掺杂微结构基CMOS图像传感芯片的制备工艺研究
        6.2.1 超饱和掺杂微结构硅基CMOS成像芯片的制备方法
        6.2.2 激光能流密度对器件暗电流的影响
        6.2.3 超饱和掺杂硅基微结构的均匀性对器件PRNU噪声的影响
    6.3 超饱和掺杂微结构基CMOS成像芯片的暗电流噪声及量子效率
    6.4 超饱和掺杂微结构基CMOS图像传感芯片的近红外成像性能
    6.5 本章小结
第7章 结论与展望
    7.1 结论
        7.1.1 全文总结
        7.1.2 论文创新之处
    7.2 展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]飞秒激光与准分子激光制作碲掺杂硅探测器[J]. 王熙元,黄永光,刘德伟,朱小宁,王宝军,朱洪亮.  中国激光. 2013(03)
[2]硅产业发展现状分析[J]. 管俊芳,陈阳,雷绍民.  轻金属. 2012(11)

博士论文
[1]微结构硅基近红外材料及其光电特性研究[D]. 王延超.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017



本文编号：3057631