黑硅PIN四象限探測器研究.pdf

1、本文針對黑硅 PIN四象限探測器的研制，對器件結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。采用飛秒激光燒蝕和MEMS工藝制備兩類黑硅材料，研究其表面形貌和光譜吸收特性，進而計算得到等效折射率和消光系數(shù)，進而對Si-PIN四象限探測器進行了仿真研究，分析和比較了兩種探測器的伏安特性、暗電流、光譜響應、串擾以及響應時間等性能參數(shù)。最后，基于標準Si-PIN四象限探測器器件的制作流程，進行了黑硅Si-PIN四象限探測器原理性器件試制。取得的主要研究結(jié)論如下：

2、　?。?）四象限探測器的串擾主要受載流子的擴散長度、載流子壽命、硅材料的吸收系數(shù)、隔離槽寬度、光敏面邊長以及載流子的漂移速度等因素的影響；隔離槽寬度和光敏面邊長對象限串擾的大小起決定性作用，象限串擾隨著隔離槽寬度和光敏面邊長的增加而呈指數(shù)減小。
　?。?）飛秒激光制備的黑硅材料在不同激光功率、激光掃描速度以及氣體氛圍參數(shù)下，其性質(zhì)也不盡相同。當激光功率為0.2 w而掃描速度為1 mm/s時，制備得到的黑硅材料尖錐結(jié)構(gòu)完整、密度較大

3、、分布較為均勻，同時光譜吸收較高可達到95％以上。在空氣和氮氣中制備的黑硅材料結(jié)構(gòu)不夠完整、密度較?。欢赟F6氣體中制備的黑硅材料形貌和分布等優(yōu)于在空氣和氮氣中制備的黑硅材料，其近紅外光譜吸收也明顯得到改善。
　　（3）MEMS微結(jié)構(gòu)黑硅材料的性能與其表面微結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，當微結(jié)構(gòu)的尺寸達到納米量級時，微結(jié)構(gòu)層會形成一個共振腔，對1060 nm波長入射光有明顯的減反作用；而當微結(jié)構(gòu)的尺寸達到微米量級時，其對1060 nm波長入射

4、光的減反作用有所削弱；通過離子注入，MEMS微結(jié)構(gòu)黑硅材料的光譜吸收會得到不同程度的提高。
　?。?）基于普通Si-PIN四象限探測器和黑硅Si-PIN四象限探測器的仿真研究表明，黑硅材料的引入能明顯提高硅基探測器的響應波長范圍和光譜響應度，在近紅外波段的作用更為明顯；但是，黑硅Si-PIN四象限探測器的暗電流有所增加，象限間串擾有所增加。
　?。?）基于飛秒激光燒蝕和 MEMS兩種方法制備的黑硅材料，進行了黑硅Si-PIN