晶體硅表面的高反射率使硅基探測器對光的響應(yīng)率大大降低,同時硅的禁帶寬度限制了它在近紅外波段的拓展應(yīng)用。Ⅵ族元素摻雜黑硅的出現(xiàn)改善了這一問題,它具有寬光譜高吸收的特性。因此,黑硅材料在光電探測和光電池等領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。本文利用飛秒激光刻蝕的方法,實現(xiàn)了S、Se摻雜黑硅以及（S、Se）共摻黑硅的制備。本文首先詳細地描述了摻雜黑硅的制備工藝:包括固體膜層的制備、飛秒激光輻照刻蝕微結(jié)構(gòu)硅、電極的制備等;為了實現(xiàn)（S、Se）共摻黑硅的制備,本文采用氣體環(huán)境摻雜和固體膜層摻雜相結(jié)合的方法。在搭建飛秒激光的刻蝕光路系統(tǒng)中,實現(xiàn)了對光斑直徑、能量密度、重復(fù)頻率等參數(shù)的控制,并探究了飛秒激光重復(fù)頻率對摻雜黑硅的影響。接著,分析了退火工藝,確定了S、Se摻雜黑硅以及（S、Se）共摻黑硅的退火氣氛、退火時間和退火溫度。對于黑硅樣品的測試包括表面形貌、吸收光譜、霍爾效應(yīng)和光敏特性等,并系統(tǒng)地研究了S、Se摻雜黑硅以及（S、Se）共摻黑硅的光學特性和電學特性。黑硅的表面形貌分析表明,S摻雜黑硅以及（S、Se）共摻黑硅表面具有尖錐結(jié)構(gòu),Se摻雜黑硅表面具有柱狀結(jié)構(gòu)。這與在不同氣體環(huán)境下刻蝕有關(guān),尖錐結(jié)... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：74 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

黑硅材料表面的尖錐結(jié)構(gòu)

1100nm 以上波長入射光的探測方面，主要使用的是鍺、碲鎘汞、銦鎵砷等材料，然而它們都有一定的局限性。這些材料成本較高，熱力學性能較差，與當今的硅基工藝兼容性也較差，限制了它在器件方面中的應(yīng)用，從而無法進行大批量的生產(chǎn)，難以用于商業(yè)化，黑硅的發(fā)現(xiàn)為解決這一難題提供了新的思路[7]，在半導(dǎo)體領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。1.2 黑硅的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自 1998 年黑硅被發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)外眾多的研究小組對其進行了大量的研究。與許多其他黑硅材料制備技術(shù)相比，飛秒激光的刻蝕精度較高，加工時間較短，并且操作較方便[8]。所以飛秒激光刻蝕法制備黑硅成為了國內(nèi)外長期的研究熱點。2000 年，Tsing-Hua Her 等人研究了飛秒激光誘導(dǎo)硅材料產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，黑硅的表面微結(jié)構(gòu)不受硅襯底的晶向、載流子類型、電阻率的影響，而與飛秒激光的入射方向、偏振方向、入射光功率密度以及脈沖數(shù)目有關(guān)。表面微結(jié)構(gòu)的尖錐方向與激光的入射方向一致；尖錐的高度和間距隨激光的入射光功率密度以及脈沖數(shù)目的增加而增大[9]。

大部分的納米結(jié)構(gòu)消失。通過二次離子質(zhì)譜法分析發(fā)現(xiàn)，相火后黑硅表面 S 元素的濃度明顯下降。所以他們推測認為，缺陷并使 S 元素的摻雜濃度降低，從而使其紅外吸收率下，Younkin，Carey 和 Mazur 等人詳細地研究了在四種不同的氣）環(huán)境中，利用飛秒激光輻照法得到的微結(jié)構(gòu)硅的表面它們與背景氣體都有顯著的聯(lián)系。飛秒激光脈沖刻蝕形成，在 SF6和 Cl2氛圍中形成的表面微結(jié)構(gòu)更尖銳，在 N2和構(gòu)更圓鈍，這些微結(jié)構(gòu)上的差異對光吸收的促進作用也會性質(zhì)如圖 1-3 所示。從圖中可以看出，不同氣體環(huán)境下刻蝕段（200~1100 nm）的吸收率沒有明顯的差別，而在0 nm）,只有在 SF6氣體氛圍中制備的黑硅，其吸收率可以其他氣體（Cl2、N2、空氣）中制得的黑硅樣品，吸收率下質(zhì)譜法檢查發(fā)現(xiàn)，SF6中的 S 元素以很高的濃度摻進了硅材的強吸收特性有著密切的關(guān)系。由此可知由背景氣體引入波段吸收增強的主要原因。


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