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1、重?fù)诫s微納結(jié)構(gòu)硅又稱黑硅材料,是一種基于晶體硅進(jìn)行表面處理的新型硅材料。黑硅的出現(xiàn)主要是為了解決晶體硅在可見-近紅外光波段吸收率低的問題,以期實(shí)現(xiàn)基于硅襯底的光電探測(cè)器可以對(duì)可見-近紅外光波段進(jìn)行探測(cè)。
本文采用飛秒激光輻照法制備黑硅材料,其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,器件集成度高,可復(fù)制性強(qiáng);缺點(diǎn)是材料形貌對(duì)器件工藝要求很高,制備速度較慢。高能飛秒激光在背景氣氛下輻照晶體硅表面,可在短時(shí)的熔融過程中實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)原子的重?fù)诫s,并在硅表面形成尖
2、錐狀陷光結(jié)構(gòu)。我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)立了六組混合摻雜對(duì)照組,分別在不同濃度的SF6和N2氣氛下對(duì)硅襯底進(jìn)行飛秒激光輻照刻蝕。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的SEM表征,得出尖錐的形貌特征與激光能量大小以及摻雜劑中S、F、N三種原子的比例有關(guān)。激光能量越高,N原子含量越高,則尖錐越鈍,體積越大。通過對(duì)SF6和N2混合摻雜的黑硅材料吸收特性的分析,退火前后S、N混合摻雜的黑硅材料在近紅外波段(1100-2000nm)吸收有較大變化,結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了S原子在硅襯底中熱擴(kuò)
3、散作用很強(qiáng),N原子在硅襯底中熱穩(wěn)定性很強(qiáng)。
第一性原理仿真對(duì)黑硅材料的能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)研究了S、N、F三種元素原子對(duì)超晶胞Si結(jié)構(gòu)替位式摻雜的影響,仿真結(jié)果表明,S重?fù)诫s后形成的非本征半導(dǎo)體材料由原先的間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。每種摻雜情況下材料的帶隙間都形成了雜質(zhì)能級(jí),帶隙寬度發(fā)生變化,摻雜過程也導(dǎo)致能帶發(fā)生了偏移。從態(tài)密度結(jié)構(gòu)圖中可以看出,摻雜元素的電子結(jié)構(gòu)對(duì)硅襯底的電子結(jié)構(gòu)有一定的影響,對(duì)比重?fù)?/p>
4、雜前后的費(fèi)米能級(jí),可以得出S、N原子重?fù)诫s的結(jié)構(gòu)相對(duì)具有一定的金屬特性。
我們的器件采用PIN型結(jié)構(gòu),重?fù)诫s硅層作為光敏層用以提升襯底對(duì)可見-近紅外光的吸收。通過傅里葉紅外光譜儀和1064nm激光光源,測(cè)得了S重?fù)诫sPIN型器件的近紅外光響應(yīng)度和光暗電流數(shù)據(jù),結(jié)果證明了相較普通的硅PIN器件,S重?fù)诫sPIN器件在近紅外光波段有著明顯的高光響應(yīng)度,且在3V和5V的反向偏壓工作狀態(tài)下光電流比暗電流高出兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。Silvaco
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