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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(jìn)而計(jì)算得到等效折射率和消光系數(shù)，進(jìn)而對Si-PIN四象限探測器進(jìn)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(yīng)、串?dāng)_以及響應(yīng)時(shí)間等性能參數(shù)。最后，基于標(biāo)準(zhǔn)Si-PIN四象限探測器器件的制作流程，進(jìn)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、　　（1）四象限探測器的串?dāng)_主要受載流子的擴(kuò)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?dāng)_的大小起決定性作用，象限串?dāng)_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(dāng)激光功率為0.2 w而掃描速度為1 mm/s時(shí)，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(shí)光譜吸收較高可達(dá)到95％以上。在空氣和氮?dú)庵兄苽涞暮诠璨牧辖Y(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?dú)庵兄苽涞暮诠璨牧?，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(dāng)微結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到納米量級時(shí)，微結(jié)構(gòu)層會形成一個(gè)共振腔，對1060 nm波長入射光有明顯的減反作用；而當(dāng)微結(jié)構(gòu)的尺寸達(dá)到微米量級時(shí)，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。
　　（4）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(yīng)波長范圍和光譜響應(yīng)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?dāng)_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(jìn)行了黑硅Si-PIN