黑硅（B-Si）由于其優(yōu)異的陷光性能以及寬光譜吸收特點廣泛應(yīng)用于太陽能收集和光電探測器等領(lǐng)域。然而,在硅禁帶寬度（E_g=1.12eV）的影響下,黑硅在1100nm以上波段光譜的吸收迅速下降。雖然通過優(yōu)化黑硅結(jié)構(gòu)延長吸收光程,或引入雜質(zhì)能級突破硅禁帶限制,都能在一定程度上改善黑硅紅外吸收性能,但有限的提升仍制約了黑硅在紅外波段的應(yīng)用。為進(jìn)一步推廣黑硅應(yīng)用,進(jìn)行拓寬黑硅吸收光譜范圍技術(shù)研究成為了黑硅領(lǐng)域的研究熱點。本文通過在黑硅表面制備金屬微納結(jié)構(gòu),利用金屬微納結(jié)構(gòu)在光場作用下激發(fā)的局域表面等離子激元效應(yīng),達(dá)到了拓寬黑硅吸收光譜范圍的目的。根據(jù)從仿真到實驗的研究方案,首先通過逐步仿真,完成了多種金屬微納結(jié)構(gòu)覆蓋黑硅的仿真模型搭建,并進(jìn)行了光學(xué)性能分析;在實驗中提出利用“雙重陰影遮蔽效應(yīng)”在黑硅表面實現(xiàn)一步制備金屬微納結(jié)構(gòu)的方法,顯著提升了黑硅近紅外光吸收性能;最后進(jìn)行了基于等離子激元復(fù)合黑硅的Si-PIN光電探測器的試制,并對器件關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測試分析。研究獲得如下結(jié)論:1.黑硅模型的結(jié)構(gòu)決定了其基本的陷光性能,且其陷光性能也因結(jié)構(gòu)維度變化而具備可調(diào)性,通過增加黑硅模型... 

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【學(xué)位級別】：碩士

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飛秒激光制備黑硅陷光結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[2]

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文21.2黑硅相關(guān)簡介哈佛大學(xué)Mazur團(tuán)隊飛秒激光方式制備黑硅展示的優(yōu)異光學(xué)性能，使黑硅工藝成為熱門的硅材料性能優(yōu)化手段，相關(guān)研究也日益成熟。如今，伴隨著工業(yè)應(yīng)用的需求，已經(jīng)出現(xiàn)了各式各樣的黑硅制備手段，其具體的黑硅定義和性能也出現(xiàn)了新的變化，同時其應(yīng)用領(lǐng)域也面臨著新的突破方向。本節(jié)介紹了黑硅的起源和當(dāng)今主流黑硅的發(fā)展與應(yīng)用，并簡要分析了拓展黑硅吸收光譜范圍技術(shù)的可行方法。1.2.1黑硅起源早期黑硅是單晶硅在腐蝕氣體氛圍中，經(jīng)激光輻照形成了微納尖錐結(jié)構(gòu)表面，如圖1-1(a)，之所以呈現(xiàn)黑色是因為黑硅表面存在大量尖錐狀的硅微結(jié)構(gòu)，當(dāng)入射光進(jìn)入黑硅結(jié)構(gòu)中時，會在尖錐間多次反射，透射和散射，大大增加了硅的有效吸收面積，和入射光在硅材料內(nèi)的傳播光程。同時在黑硅表面的超飽和摻雜層中，存在大量的雜質(zhì)和缺陷形成的雜質(zhì)能級，這些雜質(zhì)能級嵌入在硅的禁帶之間，打破了硅材料的禁帶寬度限制，實現(xiàn)了硅材料對紅外光的吸收。所以，該黑硅具備從可見光到近紅外寬光譜高吸收的優(yōu)異性能，如圖1-1(b)，這也是早期狹義上的黑硅光學(xué)特性。圖1-1飛秒激光制備黑硅陷光結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[2]繼Mazur團(tuán)隊后，科研人員對飛秒激光制備黑硅材料的方法，以及光學(xué)特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。R.Younkin團(tuán)隊[10]進(jìn)行了空氣，SF6，N2和Cl2不同背景氛圍的黑硅制備研究，得到了光吸收率與氣體濃度的關(guān)系曲線，指出S元素的高濃度摻雜將顯著提高黑硅近紅外波段的吸收率。S.I.Kudryashov等人[11]研究了在同激光頻率輻照下，改變激光脈沖數(shù)對黑硅制備形貌的影響，發(fā)現(xiàn)制備的黑硅尺寸隨使用脈沖數(shù)的增加而增加的制備規(guī)律。M.J.Sher等人[12]利用傅里葉紅外光譜儀測試了基于硫族元素的超飽和摻雜的黑硅，發(fā)現(xiàn)飛秒激光制備摻S、

第一章緒論3料的相關(guān)研究日益成熟，基于飛秒激光制備的黑硅在光電探測器件中應(yīng)用也多有報道[13-14]。這些器件突破了硅禁帶限制，具備優(yōu)秀的寬光譜響應(yīng)性能。1.2.2廣義黑硅的出現(xiàn)及發(fā)展雖然飛秒激光制備黑硅性能優(yōu)異，但由于飛秒激光加工設(shè)備價格昂貴，并且其加工硅材料的過程比較費時，同時還面臨著飛秒激光黑硅退火后紅外吸收性能下降的問題[15]，種種不利因素導(dǎo)致飛秒激光黑硅無法在工業(yè)生產(chǎn)中大量地制備應(yīng)用。因此，研究人員開始在主流的半導(dǎo)體加工工藝中，尋求制備類似黑硅材料的方法。如今，在黑硅陷光概念的基礎(chǔ)上，人們研究出了各種簡易的黑硅制備方法，它們包括：反應(yīng)離子刻蝕（ReactiveIonEtching，RIE）、酸堿溶液腐蝕、金屬輔助刻蝕、電化學(xué)刻蝕等等[16-20]。不同制備途徑導(dǎo)致其制備的黑硅結(jié)構(gòu)特征也大相徑庭，如圖1-2所示。圖1-2不同工藝的黑硅制備形貌隨著基于常規(guī)半導(dǎo)體工藝制備的上述各類不同陷光結(jié)構(gòu)黑硅的出現(xiàn)，研究人員對“黑硅”也進(jìn)行了新的定義，即黑硅是一種具有表面陷光結(jié)構(gòu)，并擁有明顯的減反效果的硅基材料。這也是我們現(xiàn)在所說的“廣義黑硅”，由于未進(jìn)行特殊的飽和摻雜過程，不同于“狹義黑硅”，它們并不強(qiáng)調(diào)自身的紅外吸收性能。圖1-3中為M.Otto等人[21]總結(jié)的主流黑硅光學(xué)吸收性能對比曲線，當(dāng)中也提供了平面硅、完美增透膜和朗伯散射體的吸收率光譜曲線作為參照。從中可以了解到，主流的廣義黑硅具備紫外到可見光優(yōu)異的陷光性能，并且在Si禁帶邊緣區(qū)域的光吸收性能明顯優(yōu)于常規(guī)的完美增透膜結(jié)構(gòu)。然而，由于未能進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)上的改變，主流黑反應(yīng)離子刻蝕金屬輔助刻蝕酸腐蝕堿腐蝕電化學(xué)刻蝕

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]酸腐多晶硅太陽電池表面織構(gòu)的研究[J]. 王立建,劉彩池,陳玉武,辛國軍,左云翔,章靈軍.  電源技術(shù). 2008(11)
[2]SPR生物傳感器的特點及其在生物特異性相互作用分析中的應(yīng)用[J]. 段媛媛,劉德立.  生物技術(shù)通訊. 2002(01)

碩士論文
[1]黑硅光電探測器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 馬世俊.電子科技大學(xué) 2018
[2]氮化鈦薄膜的制備及其光、電性能的研究[D]. 朱秀榕.南昌大學(xué) 2008



本文編號：2931156