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| 飞秒激光制备硫系掺杂硅及其光电特性研究【光学工程论文】 摘要 晶体硅因其地壳含量丰富、易集成等优点被广泛使用于光电领域，然而，它在0.25~2.5μm波段的高反射率严重影响了硅基光电探测器的性能，它的禁带宽度又限制了它在红外探测领域的应用。硫系掺杂微结构硅克服了这些缺点而具有宽谱高吸收特点，使其在红外探测领域具有潜在应用价值。硫系掺杂硅可在含硫族元素的气体环境下通过激光辐射单晶硅表面获得；也可通过高能离子注入后再用激光熔凝技术获得；还可通过激光辐射表面镀有硫系薄膜的硅材料获得。然而，气体环境下掺杂仅能实现硫元素掺杂，而S掺杂硅经高温退火后在红外波段的吸收率大幅度下降；离子注入掺杂价格昂贵，且离子注入后在其表面留下了大量非晶硅；固体膜层掺杂经济实惠、易操作，且有多种杂质源可选择。基于此，本文采用飞秒激光脉冲辐射表面镀有Se、Te杂质膜层的单晶硅制备Se、Te掺杂硅，并围绕制备方法、材料的光电性能、相应光电二极管的制作及其光电响应特性等方面展开了大量研究工作。研究的主要内容及取得的主要结果如下：
关键词：飞秒激光，掺杂硅，光电特性，硅探测器，第一性原理 目 录 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 飞秒激光制备掺杂黑硅的主要机制及特点 2 1.3 飞秒激光制备掺杂黑硅方法的研究进展 4 1.3.1 气体环境掺杂 4 1.3.2 液体环境掺杂 7 1.3.3 固体膜层掺杂 7 1.3.4 离子注入掺杂 8 1.4 掺杂黑硅应用进展 9 1.4.1光电探测器应用进展 10 1.4.2太阳能电池应用进展 13 1.5 论文的选题及研究内容 13 第二章 基于第一性原理的硫系掺杂硅材料光电特性研究 16 2.1 Materials Studio 软件和CASTEP模块介绍 16 2.2 模型建立与计算方法 17 2.3 计算结果分析与讨论 18 2.3.1 晶体结构与杂质形成能 18 2.3.2 电子结构特性 19 2.3.3 光学特性 22 2.4 本章小结 24 第三章 基于飞秒激光的Se掺杂硅材料的制备及物性测试 26 3.1 飞秒激光制备Se掺杂硅的实验研究 26 3.1.1 Si-Se双层薄膜的制备 26 3.1.2 飞秒激光扫描装置 27 3.1.3 实验系统的调试与实验方法 29 3.1.4 实验结果分析与讨论 30 3.2 Se膜和Si膜对黑硅性能影响的研究 31 3.2.1 样品制备 32 3.2.2 样品的SEM表征与分析 32 3.2.3 样品的光谱测试与分析 33 3.2.4 样品的霍尔效应测试与分析 35 3.3 本章小结 39 第四章 不同的加工参数对Se掺杂硅性能影响的研究 41 4.1 扫描速度对Se掺杂硅性能影响的研究 41 4.1.1 样品制备 41 4.1.2 扫描速度对表面形貌的影响 41 4.1.2 扫描速度对光电特性的影响 43 4.2 激光通量对Se掺杂硅性能影响的研究 45 4.2.1 样品制备 45 4.2.2 激光能量密度对表面形貌的影响 45 4.2.3 激光能量密度对光电特性的影响 47 4.3 背景气体压强对Se掺杂硅性能影响的研究 49 4.3.1 样品制备 49 4.3.2 背景气体压强对表面形貌的影响 49 4.3.3 背景气体压强对光电特性的影响 50 4.4 本章小结 52 第五章 Se掺杂硅N+-N光电二极管的近红外光电响应特性研究 54 5.1 光电二极管的工作原理 54 5.2 N+-N型光电二极管的制作 58 5.2.1 Se掺杂硅材料的制备 58 5.2.2 电极的制备 59 5.2.3 退火对表面形貌及晶体结构的影响 60 5.3 Se掺杂黑硅光电二极管的光电响应特性 61 5.3.1 光电二极管的I-V特性 62 5.3.2 光电二极管的近红外光电响应 63 5.4 本章小结 67 第六章 Se掺杂硅与Te掺杂硅特性对比研究 69 6.1 材料的制备及表面形貌对比 69 6.2 光学特性对比 70 6.2.1 退火对吸收光谱的影响 71 6.2.2 耐退火特性差异原因分析 73 6.3 光电响应特性对比 77 6.3.1 光电二极管制作 78 6.3.2 暗场及光照条件下的I-V特性 78 6.3.3 近红外光电响应特性 80 6.4 可能存在的杂质能级 82 6.5 本章小结 85 第七章 结论与展望 88 7.1 全文总结 88 7.2 本论文的创新点 90 7.3 后续工作与展望 90 致 谢 92 参考文献 93 |
