發(fā)布時間：2020-08-18 09:14

【摘要】：硅材料是集成電路的材料基礎(chǔ),是當(dāng)代信息產(chǎn)業(yè)的重要支柱材料,從晶體管到計(jì)算機(jī)的發(fā)展和更新?lián)Q代乃至現(xiàn)在通訊網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和進(jìn)步,均與硅單晶息息相關(guān),其質(zhì)量和尺寸也在不斷提升,硅基電子產(chǎn)品已經(jīng)深入到各個學(xué)科和領(lǐng)域,所制備的半導(dǎo)體器件已經(jīng)發(fā)展到了摩爾定律的邊緣。上世紀(jì)80年代,Soref等人首次提出了硅光子學(xué)的概念,其核心是將硅的光學(xué)器件集成到光學(xué)芯片中,形成光子處理的的信息功能器件。硅基光子學(xué)器件可以借助硅基電子學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展,實(shí)現(xiàn)硅基光子學(xué)和硅基電子學(xué)的無縫銜接,并開發(fā)出大規(guī)模集成技術(shù),對其研究有重要的科學(xué)意義和實(shí)用前景。硅的禁帶寬度為1.12 eV且是間接帶隙,決定了其響應(yīng)波段僅在波長小于1.1μm的區(qū)域,同時,硅材料具有中心對稱的結(jié)構(gòu),決定其不能以線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電學(xué)調(diào)制,這無疑限制了硅基光子學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。光子學(xué)的基礎(chǔ)主要包括光源、調(diào)制器件和探測器件�；谑芗だ⑸洹⒛軒д{(diào)制及各種硅基襯底的半導(dǎo)體生長技術(shù),硅基光源發(fā)展較多,而硅基光調(diào)制器主要集中于能帶調(diào)制的主動調(diào)制方面,通訊波段和波長更長的中紅外波段處于探索階段,硅基探測器件相對研究較少,特別是在通訊波段和中遠(yuǎn)紅外波段更是稀缺。順應(yīng)硅基光電子學(xué)的發(fā)展潮流,本論文集中于硅基調(diào)制器件和探測器件方面,采取了離子注入方法在單晶硅中注入硫離子,在本征硅原有的帶隙中引入一個雜質(zhì)能級,改變了硅原有的能級結(jié)構(gòu),拓展了硅的波長響應(yīng)范圍;測試與表征了離子注入后的硅的光學(xué)性質(zhì),注重其在通訊波段和中紅外波段方面;將制備的樣品應(yīng)用到1.3 μm、1.4 μm和2 μm處被動光開關(guān)方面,設(shè)計(jì)了通訊波段到中紅外波段的寬波段硅基被動光開關(guān),實(shí)現(xiàn)了這三類波段的脈沖調(diào)制,獲得了脈沖激光輸出;制備了硅基光電探測器,探索了其通訊波段到中紅外2 μm波段的光電探測性能,為其光電子學(xué)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。具體工作如下:1.硫離子注入單晶硅樣品的制備與表征前期理論表面,向單晶硅中摻雜硫族元素可在硅原本1.12 eV間隙中引入一個有寬度的雜質(zhì)能級,隨著摻雜濃度升高,雜質(zhì)能級將不斷變寬并逐漸與導(dǎo)帶接近、融合,從而實(shí)現(xiàn)將硅材料從半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變成金屬態(tài),禁帶寬度決定半導(dǎo)體的響應(yīng)波長,因此硫族元素的摻雜濃度可對硅的能級結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制,進(jìn)而調(diào)整硅的響應(yīng)波長范圍。以離子注入的方法在單晶硅中摻雜硫離子,注入能量為95 keV,注入劑量(3、5、7、9)× ×1015cm-2,以SRIM軟件理論研究了摻雜濃度和深度,并通過二次離子質(zhì)譜分析,得到了不同樣品在硅片中濃度隨深度分布的曲線,實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果基本一致。高分辨X衍射光譜的搖擺曲線和拉曼光譜發(fā)現(xiàn)隨注入劑量的增高,硅片樣品的結(jié)晶度下降,可能調(diào)節(jié)其光電性能。透過光譜研究顯示經(jīng)過硫離子注入后的樣品比純的本征硅片有兩個波段出現(xiàn)吸收增強(qiáng):從1.1 μm-1.7μm和1.7 μm-7 μm波段,根據(jù)其理論計(jì)算結(jié)果,1.1μm-1.7μm吸收增強(qiáng)由從價帶到雜質(zhì)能級和從雜質(zhì)能級到導(dǎo)帶兩部分的電子躍遷組成,1.7 μm-7μm的吸收增強(qiáng)主要來自于從雜質(zhì)能級到導(dǎo)帶的電子躍遷。2.硫離子注入硅片樣品的非線性可飽和吸收性能面向?qū)挷ǘ喂忾_關(guān)應(yīng)用,以Z掃描的方法和功率變化的方式,分別研究了所制備的硫離子注入硅片在1.55 μm通訊波段和2 μm中紅外波段的非線性吸收特性,由于電子為費(fèi)米子特性需遵循泡利不相容原則,所制備樣品具有可飽和吸收特性,在1.55 μm處,非線性吸收系數(shù)β為-0.834、可飽和光強(qiáng)為3.19 MW/cm-2,在2 μm處,其最小可飽和光強(qiáng)度為0.52 kW/Cm-2對應(yīng)調(diào)制深度為8.18%,此外我們發(fā)現(xiàn),隨著硫離子摻雜濃度的增加,調(diào)制深度和飽和光強(qiáng)都整體呈上升趨勢,結(jié)果表明所制備的硅材料有優(yōu)秀的可飽和吸收性能、小的可飽和吸收強(qiáng)度,可在較小的光源照射下工作,損耗小且產(chǎn)熱少,有成為優(yōu)秀被動光調(diào)制器件的潛力。3.硫離子注入硅片的被動光開關(guān)性能的研究以硫離子注入硅片的可飽和吸收性能為基礎(chǔ),將該樣品應(yīng)用于全固態(tài)激光方面,用以被動光開關(guān)實(shí)現(xiàn)光調(diào)制,產(chǎn)生被動調(diào)Q脈沖激光輸出。實(shí)現(xiàn)了波長為1.34μm、1.42 μm和1.94 μm的被動調(diào)Q脈沖激光輸出,所獲得的最窄的脈沖寬度分別為402 ns、167 ns和144 ns,最高的脈沖重復(fù)頻率分別為245.5 kHz、75.76 kHz和88.60 kHz,最大的脈沖能量分別為210 nJ、220 nJ和1825 nJ。驗(yàn)證了硫離子注入的硅片的光開關(guān)性能,可作為從近紅外到中外的的寬波段的被動光調(diào)制器件,為超快脈沖產(chǎn)生領(lǐng)域提供了新的材料選擇,也為未來在紅外波段的硅基光信號處理通訊等領(lǐng)域提供了思路啟發(fā)。4.硫離子注入硅片的光電探測性能的研究從能級結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)出發(fā),發(fā)現(xiàn)硫離子注入硅片的響應(yīng)波長可拓展至中紅外波段,可能制備寬波段硅基光電探測器件。在此基礎(chǔ)上,制備了光電探測器件,研究了其在波長1.34 μm、2μ 和2.8 μm處的的光電探測性能;發(fā)現(xiàn)其在各個波段均有不同的光電響應(yīng),且不同偏置電壓方向下,器件的光電響應(yīng)并不對稱,并在特定偏置電壓下產(chǎn)生了光生電流為負(fù)數(shù)的現(xiàn)象,原因可能與電極處的肖特基勢壘不對稱和熱電效應(yīng)有關(guān);摻雜濃度居中的樣品顯示出了最佳的性能參數(shù),可能是由于注入離子濃度對晶格破壞的破壞降低了載流子遷移率的結(jié)果。相關(guān)物理機(jī)制有待于接下來工作的更進(jìn)一步的深入研究。綜上所述,為了拓展單晶硅的應(yīng)用波段,通過離子注入,在硅帶隙中引入雜質(zhì)能級,將硅材料的波長響應(yīng)范圍拓展到了中紅外波段,實(shí)現(xiàn)了其線性和非線性光學(xué)性能表征,應(yīng)用于光開關(guān)和光電探測方面,實(shí)現(xiàn)了其寬波段脈沖激光調(diào)制和光電探測,所制備器件可能在光開關(guān)和光探測方面有潛在的重要應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O613.72;TN40
【圖文】：

圖１－１硅的豐度與金剛石結(jié)構(gòu)逡逑在元素周期表中，硅元素位于第三周期，第ＩＶ族的第二個元素，是已知的逡逑１２個具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素（硼、碳、硅、鍺、錫、磷、砷、銻、硫、硒、碲、逡逑碘）中最重要的半導(dǎo)體。在自然界中，硅的同位素有３種，所占的比例分別是２８Ｓｉ逡逑

藝越來越接近最終帶寬限制［１７］，技術(shù)將變得越來越昂貴。更多的并行通道可以逡逑提高總數(shù)據(jù)速率。與增加并行電子信道的數(shù)量相比，光通信的轉(zhuǎn)換成本更低（見逡逑圖１－２）。麻省理工學(xué)院微光子路線圖［１７］建議的光子技術(shù)通常發(fā)生在１０ＧＨｚ／ｍ逡逑對應(yīng)１．２邋Ｇｂｉｔｓ—Ｗ１。圖１－２比較了幾種技術(shù)。在計(jì)算機(jī)背板和顯示視頻中使用的逡逑總線技術(shù)是最能從光通信轉(zhuǎn)換到光通信的性能改進(jìn)中獲益的領(lǐng)域。事實(shí)上，逡逑ＳＤＲＡＭ己經(jīng)在總線中使用許多并行通道來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的性能（如圖１－２）。逡逑ｉ0６ｉ邐ｒ＼逡逑１００Ｇｂａｓｅ－Ｘ－Ｃｕ邐—邋ｆ邋＼逡逑１０邋’邐ＤＤＲ３邋＼邐，ｏｎ９逡逑５：逡逑？邐ＤＤＲ２邋’逡逑ｌｎ１邋Ｓ＿邋%煎危苠澹洌椋螅穡歟幔�、辶x希保板危觶椋洌澹镥義�；ｅe澹悖簦潁錚睿椋悖簀義希保

本文編號：2796027