本文關(guān)鍵詞：微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料及其光電特性研究

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【摘要】：目前按照芯片材料的種類,成像傳感器大致可分為基于硅基芯片材料的可見光成像傳感器和基于非硅基芯片材料的紅外光成像傳感器。相比于非硅基成像傳感器(例如InGaAs/HgCdTe材料),硅基成像傳感器具有制造工藝更加成熟、成本低廉、器件結(jié)構(gòu)簡單、能室溫下工作、抗環(huán)境能力強等眾多非硅基成像傳感器無法比擬的優(yōu)點。雖然目前硅基成像傳感器已經(jīng)被廣泛應用于人們的日常生活中(例如手機攝像頭、單反相機的核心成像元件都是由硅基CMOS成像傳感器制成的),但是它的感光區(qū)域主要集中于可見波段(1.1μm),這嚴重限制了它在紅外波段的應用。美國哈弗大學的科學家成功制備了一種具有表面微結(jié)構(gòu)的新型硅基材料,被稱為“黑硅”材料,它是經(jīng)過飛秒激光加工形成的眾多超細釘狀物的表面微結(jié)構(gòu)。此種材料表面層的微結(jié)構(gòu)和內(nèi)部高濃度摻雜離子形成的中間能級使得它在可見光和近紅外光區(qū)域都具有極低的反射和極高的吸收兩大特點。因此和傳統(tǒng)的硅基探測器相比,黑硅探測器具有如下兩方面極為誘人的性能:(1)更高的響應度;(2)更寬的可見到近紅外探測譜段。結(jié)合硅基成像傳感器能夠克服非硅基紅外成像傳感器制作工藝和器件結(jié)構(gòu)復雜(例如它與硅的晶格常數(shù)不匹配導致它與硅基讀出電路之間常需要復雜的銦柱連接等工藝)、成本高、抗環(huán)境能力差等缺點,黑硅近紅外成像傳感器在軍事和民用領(lǐng)域都將具有更為廣闊的應用前景。本文采用飛秒激光在特殊氣氛環(huán)境下加工新型硅基微結(jié)構(gòu)可見-近紅外光電材料,針對傳統(tǒng)硅基成像傳感器在近紅外波段響應弱、無法實現(xiàn)近紅外探測成像的現(xiàn)實問題,對新型硅基近紅外高吸收材料的光學特性以及光電響應特性進行研究,探索新型硅基材料在可見-近紅外波段光吸收特性以及光電響應特性的增強機理,希望獲得在可見-近紅外波段擁有更高吸收和更寬響應波長的新型硅基近紅外光電材料。論文主要工作如下:1.采用飛秒激光在sf6氣氛下加工新型硅基微結(jié)構(gòu)材料,研究黑硅微結(jié)構(gòu)形貌與飛秒激光加工物理過程的關(guān)系,以及飛秒激光加工黑硅表面微結(jié)構(gòu)對于黑硅在可見-近紅外光吸收的增強作用;探索飛秒激光sf6氣氛環(huán)境下硅基底中過飽和摻雜s元素對于黑硅寬光譜吸收特性的影響;通過研究飛秒激光輻照能量密度,加工氣氛環(huán)境等因素對于微結(jié)構(gòu)形貌的形成及s元素摻雜的作用,探索可見-近紅外高吸收黑硅材料的制作方法。在深入研究飛秒激光加工黑硅材料物理過程的基礎上,獲得了在可見-近紅外波段具有一致的高吸收特性的黑硅材料,從400nm-2500nm寬光譜平均反射率低于5%,平均吸收高于90%。提出一種基于高摻雜濃度基底制備的具有紅外吸收高溫穩(wěn)定性的黑硅。2.研究了黑硅表面銀納米顆粒的形成機理及其對于紅外光吸收的影響:我們利用電子束蒸發(fā)的手段和薄膜沉積的陰影效應,在黑硅微結(jié)構(gòu)表面成功制備了大量隨機分布的不規(guī)則銀納米顆粒;這些銀納米顆粒彌補了低激光功率密度下制備的小尺寸硅基表面微結(jié)構(gòu)對近紅外波段光吸收的不足,能夠使具有小尺寸表面微結(jié)構(gòu)的硅基在近紅外寬波段的吸收率增加到90%;針對黑硅高溫退火后紅外吸收退化的問題,提出了利用金屬納米顆粒形成等離子激元共振的方法來補償黑硅材料在經(jīng)過高溫退火后紅外吸收退化,在高溫退火后補償黑硅材料在紅外波段的吸收效率。3.研究了黑硅光電材料在可見-近紅外高光電響應獲得的機理:基底摻雜類型以及濃度對于黑硅s元素過飽和摻雜和黑硅光電材料光電子的影響;研究了飛秒激光加工物理過程中導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響應特性的方法;高溫熱處理過程對于飛秒激光加工過程導致的晶格缺陷和形成的多晶硅修復作用,以及對于黑硅光電材料光電子提取的影響。在深入研究黑硅光電材料在可見-近紅外高光電響應獲得機理后,以此為基礎獲得了光響應特性比普通商用硅探測器高幾十倍并且在紅外波段拓展響應波段的新型硅基近紅外高響應材料——我們研究的黑硅光電探測器在400-1100nm波段內(nèi)平均響應度高達14.3a/w,最高點的響應度為24.5a/w,在1200-1500nm紅外波段內(nèi)的平均響應度為71mA/W。
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN21;TN304;TN36

【共引文獻】

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本文編號：1299489