超掺杂黑硅材料及其红外探测器的飞秒激光制备研究
在过去的七十年中,硅基集成电路技术为科学技术的发展做出了突出的贡献.近三十年里,硅基光电子技术得到了系统且深入的发展,并具备集成度高、尺寸小以及与微电子工艺兼容性强等优势,在传感、成像和人工智能等多个领域发挥着重要的作用.在当前硅基光子学领域,硅基红外光电探测器作为硅基光电子集成电路(OEIC)芯片的重要组成部分,在通信光波段(如1310nm和1550nm两个光通讯窗口)工作至关重要.然而,由于受单晶硅自身禁带宽度的限制(室温下禁带宽度为1.12eV),其对于波长大于1100nm的红外光是透明的,因此,单晶硅光电探测器无法应用在红外光电探测方面.直到上世纪末,哈佛大学研究团队在六氟化硫气氛中使用飞秒脉冲激光辐照单晶硅表面获得的微结构硅(黑硅)的出现,使得基于晶体硅材料的红外探测成为可能.研究发现,六氟化硫气氛中获得的黑硅材料在近红外波段(λ＞1100nm)吸收增强的主要原因在于硫元素的超掺杂(＞1019cm-3).高浓度的硫掺杂在硅的禁带中形成中间带(IB),借助杂质带的跃迁,黑硅实现了对能量小于硅带隙的光子的吸收.因此,通过超掺杂在硅的禁带中引入中间带作为一种可以拓宽单晶硅吸收边的有效方法为实现硅的红外探测提供了可能. 然而,目前超掺杂黑硅红外探测器仍存在以下两个主要问题:(1)黑硅材料红外吸收热稳定性差的问题.硫超掺杂黑硅材料在红外波段的吸收不稳定,热退火后吸收率大幅度降低;(2)黑硅探测器光电转换效率低的问题.一方面黑硅掺杂层高浓度电离杂质使得载流子的输运会受到阻碍;另一方面,掺杂层中杂质的横向分布连续性较差,使得黑硅层与衬底之间形成的结区不连续.在本论文中,首先针对硫超掺杂黑硅红外吸收热稳定性较差的问题,提出采用过渡金属铬作为掺杂剂制备了红外吸收热稳定的铬超掺杂黑硅材料及红外探测器件.其次,针对常规元素超掺杂引入的电离杂质散射问题,提出了采用惰性元素氩作为掺杂剂的创新思路.另外,针对黑硅掺杂层横向分布连续性较差的问题,使用离子注入协同脉冲激光辐照法制备了氩超掺杂硅材料及红外探测器件.最后,为进一步提高氩掺杂层的红外吸收率及黑硅层与衬底之间的势垒,采用离子注入协同脉冲激光辐照法制备了过饱和氩/硫共掺硅材料及红外探测器件.通过以上研究,黑硅红外探测器的光电转换效率得到显著提高.主要研究内容如下: (1)铬超掺杂黑硅及其红外探测器的研究.利用飞秒脉冲激光辐照法制备了过渡金属铬超掺杂黑硅,铬原子在黑硅层中的掺杂浓度超过1020cm-3.电学性质研究确定了铬在硅禁带中引入的深施主能级位于导带底以下0.39eV,室温下由于铬杂质电离所产生的载流子浓度约为1015cm-3.基于铬超掺杂层与衬底之间建立的载流子浓度差以及材料热稳定的红外吸收(退火后吸收率~55%@1310nm)特性,制备了肖特基结/N+-N结双结型黑硅红外光电二极管,其中,N+-N结在4.3V反向偏压下,对1310nm近红外光的响应度可达0.57A/W.结合器件的能带图和开关特性讨论了铬超掺杂黑硅器件的光响应增益及红外探测机理. (2)氩超掺杂硅及其红外探测器的研究.首次选用惰性元素氩作为掺杂源,采用离子注入协同脉冲激光退火技术制备了氩超掺杂硅材料.离子注入后氩原子峰值浓度达1020cm-3(一次超掺杂).与传统的离子注入后的纳秒脉冲激光退火不同,本文所使用的飞秒脉冲激光辐照不仅仅是作为后退火工艺可以改善离子注入层的结晶质量,还可以实现氩的二次超掺杂,由激光辐照引起的氩掺杂浓度可以超过1021cm-3,掺杂层中氩原子分布存在两个峰值浓度,即实现了氩的双区超掺杂.经电学性质测量,与氩相关的缺陷能级电离能为0.371eV,为深施主能级.经测量其对1310nm近红外光的吸收率为18.7%.另外,氩超掺杂层的载流子浓度约为1014cm-3量级,其与硅衬底之间的载流子浓度差有利于N+-N结的形成.制备的氩超掺杂硅双结光电二极管在12V反向偏压下,对1310nm和1550nm近红外光的响应度分别高达0.975A/W和1.28A/W,打破了基于体结构超掺杂硅探测器在低偏压下对该波段响应度的记录.结合能带图分析,因肖特基结和N+-N结共用氩超掺杂层,当肖特基结反偏电压超过一定值,双结出现穿通击穿,此时N+-N结势垒高度的降低将导致较大的空穴/电子注入比,因此,器件在室温下表现出较高的光响应和光电导增益特性. (3)过饱和氩/硫共掺硅及其红外探测器的研究.在离子注入掺氩的基础上,采用飞秒脉冲激光辐照法再向硅中掺入过饱和的硫杂质,实现了过饱和氩和硫的共掺杂,其中硫原子的掺杂浓度可以超过1019cm-3.另外,飞秒脉冲激光辐照在实现过饱和硫掺杂的同时对离子注入损伤层也起到退火的作用,脉冲激光辐照后的离子注入层的结晶质量显著提升.与单元素氩超掺杂硅相比,硫杂质的引入具有以下优势:(i)提高超掺杂层的红外吸收率,对1310nm近红外光的吸收率达32%;(ii)提高超掺杂层的载流子浓度,室温下超掺杂层的体载流子浓度约为1017cm-3,增大了N+-N结的势垒高度,从而提高探测器分离光生载流子的能力,最终提升器件性能.基于超掺杂层与硅衬底间大的载流子浓度差,采用离子注入结合脉冲激光辐照的双掺杂技术首次制备出过饱和氩/硫共掺杂硅光电探测器,其N+-N结具有良好的整流特性.在反向偏压为9V时,优化的器件对1310nm近红外光的响应度为222mA/W.为降低器件的噪声,进一步提高探测器光电转换效率,使用钝化工艺将探测器的暗电流降低一个数量级,探测器的比探测率显著提高. 综上所述,本论文的最终目标是实现硅探测器的红外探测,采用非平衡掺杂技术制备了三种超掺杂黑硅材料,将硅的吸收边延伸至2500nm的近红外波段.论文从超掺杂硅材料性质和器件性能两个方面进行深入研究,通过改变激光参数和退火工艺实现了对超掺杂硅材料性能的调控,优化的超掺杂硅器件实现了对1310nm和1550nm两个通讯窗口近红外光的高响应探测.本文的研究结果表明超掺杂黑硅材料在红外探测领域具有广阔的潜在应用价值.
红外探测器;飞秒激光;离子注入;黑硅材料;超掺杂;深能级
吉林大学
博士
微电子学与固体电子学
赵纪红
2023
中文
TN215
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）