【摘要】：晶體硅因其地殼含量豐富、易集成等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用于光電領(lǐng)域,然而,它在0.25~2.5μm波段的高反射率嚴(yán)重影響了硅基光電探測(cè)器的性能,它的禁帶寬度又限制了它在紅外探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。硫系摻雜微結(jié)構(gòu)硅克服了這些缺點(diǎn)而具有寬譜高吸收特點(diǎn),使其在紅外探測(cè)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。硫系摻雜硅可在含硫族元素的氣體環(huán)境下通過激光輻射單晶硅表面獲得;也可通過高能離子注入后再用激光熔凝技術(shù)獲得;還可通過激光輻射表面鍍有硫系薄膜的硅材料獲得。然而,氣體環(huán)境下?lián)诫s僅能實(shí)現(xiàn)硫元素?fù)诫s,而S摻雜硅經(jīng)高溫退火后在紅外波段的吸收率大幅度下降;離子注入摻雜價(jià)格昂貴,且離子注入后在其表面留下了大量非晶硅;固體膜層摻雜經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、易操作,且有多種雜質(zhì)源可選擇�；诖�,本文采用飛秒激光脈沖輻射表面鍍有Se、Te雜質(zhì)膜層的單晶硅制備Se、Te摻雜硅,并圍繞制備方法、材料的光電性能、相應(yīng)光電二極管的制作及其光電響應(yīng)特性等方面展開了大量研究工作。研究的主要內(nèi)容及取得的主要結(jié)果如下:1.基于密度泛函理論系統(tǒng)分析了S、Se、Te摻雜硅在不同摻雜濃度下的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)及光學(xué)吸收特性。計(jì)算結(jié)果表明替代位摻雜后晶格產(chǎn)生了畸變,S摻雜硅和Te摻雜硅的晶格畸變程度和雜質(zhì)形成能都隨摻雜濃度的增加而增大,而Se摻雜硅在摻雜濃度達(dá)到1.56%時(shí)晶格畸變程度最小且雜質(zhì)形成能最低。硫系摻雜硅中出現(xiàn)了中間能帶且中間帶的出現(xiàn)有利于紅外光子的吸收。計(jì)算證實(shí)了硫系摻雜硅材料的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收系數(shù)均與摻雜濃度有關(guān):中間帶帶寬和禁帶能隙都隨摻雜濃度的提高而展寬;而摻雜濃度達(dá)1.04%左右時(shí)硫系摻雜硅在可見至紅外波段的吸收率最高。2.利用飛秒激光輻射表面鍍有Si:Se雙層薄膜的硅材料制備超飽和Se摻雜微結(jié)構(gòu)硅。研究了最外層的Si膜在激光輻射期間對(duì)Se膜所起的保護(hù)作用,最終使摻雜濃度有所提高且光電特性有所改善:紅外波段吸收率提高了5%且載流子濃度也有所增加。此外還研究了加工參數(shù)(掃描速度、激光能量密度和背景氣體壓強(qiáng))對(duì)Se摻雜硅的表面形貌及光電特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明表面微結(jié)構(gòu)的縱橫比和可見至近紅外波段的吸收率都隨著掃描速度的降低而增大,當(dāng)掃描速度為0.5mm/s時(shí),400~1100nm波段的吸收率可達(dá)96%,1100~2200nm波段的吸收率可達(dá)92%,但材料的電學(xué)性能卻隨掃描速度的降低而變差。當(dāng)激光能量密度為4.5kJ/m~2時(shí)制備出的Se摻雜硅具有最大吸收率和載流子密度,激光能量密度過高或過低都將使材料的紅外吸收率和載流子面密度下降。Se摻雜硅材料在紅外波段的吸收率及載流子面密度都隨背景氣體壓強(qiáng)的增大而增大。3.選用光電性能較好的Se摻雜硅材料制作簡易n~+-n型光電二極管。研究了退火溫度和反向偏置電壓對(duì)光電二極管近紅外(@1064nm)響應(yīng)率的影響。當(dāng)退火溫度達(dá)到500℃時(shí),光電二極管具有最佳整流特性和光響應(yīng)特性,當(dāng)反向偏置電壓達(dá)到12V時(shí),波長1064 nm處獲得了2.41A/W的響應(yīng)率。反向偏壓從0增加到10V時(shí),近紅外光電響應(yīng)率隨著偏置電壓的增加呈線性增加;反向偏壓從10增加到12V時(shí),響應(yīng)率呈非線性增加。該二極管在偏置電壓達(dá)-5V時(shí)的外量子效率(EQE)已達(dá)100%,偏置電壓為-12V時(shí)EQE可達(dá)280%,暗示著該器件內(nèi)部存在著導(dǎo)電增益,通過理論計(jì)算推斷其增益機(jī)制屬于光電導(dǎo)增益。4.采用飛秒激光脈沖輻射表面鍍有Si-Se、Si-Te雙層薄膜的硅材料制備Se摻雜硅及Te摻雜硅,兩種材料在相同的實(shí)驗(yàn)條件下制備而成,對(duì)比分析了兩者在表面形貌、光學(xué)特性及近紅外響應(yīng)特性方面的差異。兩者具有相似的表面微結(jié)構(gòu),且對(duì)近紅外區(qū)域的光子都顯示出較強(qiáng)的吸收率。熱退火將導(dǎo)致材料對(duì)近紅外區(qū)域光子吸收率的下降,Te摻雜硅的衰減程度更小,即Te摻雜硅顯示出更好的耐退火特性。為分析產(chǎn)生這個(gè)差異的原因,文中采用Arrhenius方程對(duì)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的吸收率進(jìn)行擬合,考慮到方程中的熱激活能和指數(shù)因子分別與Si-X(S/Se/Te)鍵的穩(wěn)定性和雜質(zhì)的擴(kuò)散率有關(guān),擬合結(jié)果分析表明兩者耐退火特性產(chǎn)生差異的原因主要是Te原子在硅晶格中的擴(kuò)散速率更慢。用這兩種材料制作n~+-n型光電二極管,利用傅立葉紅外光譜儀測(cè)試了它們的光電導(dǎo)率響應(yīng)譜,計(jì)算并分析了Se摻雜硅及Te摻雜硅材料中有可能存在的雜質(zhì)能級(jí),結(jié)果表明Se摻雜硅中有可能存在由Se_c~0(X_1)(116meV)和Se_2~+(390meV)引入的雜質(zhì)能級(jí),而Te摻雜硅中有可能存在由Te~+(411meV)、Te_c~0(X_1)(92meV)、Te_c~+(X_1)(364meV)和Te_c~+(X_2)(173meV)引入的雜質(zhì)能級(jí)。此外,Te摻雜硅光電二極管在近紅外波段具有更高的光電流響應(yīng),這表明相比Se摻雜硅而言,Te摻雜硅更適合用作硅基紅外光電探測(cè)器的候選材料。
【圖文】：

圖 1-1 黑硅的結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)(a)表面準(zhǔn)周期性尖錐陣;(b)吸收系數(shù)[57] 飛秒激光制備摻雜硅的主要機(jī)制及特點(diǎn)飛秒激光脈沖輻射單晶硅后，在回到原來的熱平衡狀態(tài)前硅材料將經(jīng)歷

K. Sánchez 等人[68]利用第一性原理研究了硫系元素（S，Se，Te）以 0.5 at%替代位摻雜晶體硅的電子結(jié)構(gòu)(圖1-2)及光學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明硫系元素的超飽和摻雜會(huì)在硅禁帶中引入寬約 0.22 eV（碲約為 0.25 eV）的中間能帶，該中間能帶有利于低能光子的吸收。他們還進(jìn)一步研究了硫系元素和B、Al等三族元素共摻雜硅材料的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)(圖1-3和圖 1-4），，通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn) B 和 Al 的引入未顯著改變其能帶結(jié)構(gòu)，但能控制中間帶的占用；由于中間帶被占用后降低了電子從中間帶躍遷到導(dǎo)帶的機(jī)率，使得共摻雜硅材料對(duì)小于硅禁帶寬度的低能光子的吸收系數(shù)有所降低，如圖1-4 所示。這一系列研究都為實(shí)驗(yàn)上制備硫系超飽和摻雜硅材料提供了理論基礎(chǔ)。圖 1-2 硫系元素?fù)诫s硅的態(tài)密度分布圖[68](a)SSi; (b)SeSi; (c)TeSi
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN304.12

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本文編號(hào)：2589345