寬光譜響應(yīng)微納結(jié)構(gòu)硅材料制備及光電探測應(yīng)用研究.pdf

1、重摻雜硅由于其獨特的表面形貌和良好的寬光譜吸收特性，受到了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注和深入研究。目前這一新型材料可用于硅基光電探測器、太陽能電池等領(lǐng)域，并將產(chǎn)生革命性的影響。激光用于材料的改性與加工已經(jīng)很多年了，由于激光的特殊性，改性過后的材料往往能顯現(xiàn)出與眾不同的性能。我們采用飛秒激光在SF6氣氛下掃描單晶硅，得到表面具有尖錐狀結(jié)構(gòu)的重摻雜硅。研究表明，樣品表面尖錐高度約為數(shù)個微米甚至更高，對可見-近紅外波段的光的吸收均高達90％以上，充

2、分顯示了高吸收、寬光譜響應(yīng)的特性。對可見光的高吸收是因為獨特的尖錐結(jié)構(gòu)所形成的陷光效應(yīng)，增加了材料表面對光的吸收次數(shù)。而高能激光在燒蝕熔化硅表面的同時摻入了S元素雜質(zhì)，摻雜濃度遠遠大于S元素在硅中的固溶度，所以雜質(zhì)元素在硅的禁帶寬度中引入了雜質(zhì)能帶，使得材料能吸收能量小于禁帶寬度的光子，從而實現(xiàn)了對近紅外波段的光的高吸收。雖然在SF6氣氛下制備的重摻雜硅有更高的吸收，但是尖錐高度較高就不利于后續(xù)器件的制備，從而讓材料的特殊性能得不到充分

3、應(yīng)用。離子注入的應(yīng)用解決了這個問題。先通過離子注入在硅表面摻雜高濃度的雜質(zhì)，后使用低能量和低脈沖數(shù)目掃描硅片，得到表面粗糙度在納米級別的重摻雜硅。材料對可見光的吸收依然能達到90%以上，對近紅外波段的光的吸收有所下降，為60%以上，但仍要比單晶硅的吸收高出很多。
　　本研究通過霍爾效應(yīng)表征了材料的載流子濃度、電阻率和電子遷移率，材料表現(xiàn)出了與單晶硅不同的電學(xué)性能，載流子濃度能達到1020cm-3，電阻率也非常低，電子的遷移率降低到

4、82cm2v-1s-1，這是由于超高的摻雜濃度所導(dǎo)致的。將重摻雜硅材料制成PN/PIN結(jié)光電探測器，測試分析了器件的光暗電流和響應(yīng)度曲線。PN結(jié)器件的響應(yīng)度最大為0.9A/W，在軍事上常用的1060nm波段，響應(yīng)度依然可以達到0.17A/W，PIN結(jié)器件的響應(yīng)度最高更是達到5.94A/W，充分表現(xiàn)出重摻雜硅材料在光電探測器領(lǐng)域的巨大潛力。不過兩種器件的暗電流都非常大，主要是表面經(jīng)過激光掃描以及深能級雜質(zhì)的重摻雜，形成大量復(fù)合中心，造成光