飞秒激光过渡金属的过饱和掺杂黑硅的研究

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1、分类号：TN213单位代码：10183研究生学号：2015512049密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）飞秒激光过渡金属的过饱和掺杂黑硅的研究StudyonSupersaturatedDopedBlackSiliconwithTransitionMetalbyFemtosecondLaser作者姓名：于心月专业：微电子学与固体电子学研究方向：飞秒激光掺杂黑硅指导教师：孙洪波教授培养单位：电子科学与工程学院2018年5月—————————————————————飞秒激光过渡金属的过饱和掺杂黑硅的研究—————————————————————Study

2、onSupersaturatedDopedBlackSiliconwithTransitionMetalbyFemtosecondLaser—————————————————————作者姓名：于心月专业名称：微电子学与固体电子学指导教师：孙洪波教授学位类别：理学硕士答辩日期：2018年05月31日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性

3、声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文

4、全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：■硕士□博士学科专业：微电子学与固体电子学论文题目：飞秒激光过渡金属的过饱和掺杂黑硅的研究作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林省长春市前进大街2699号吉林大学前卫南区（130012）作者联系电话：摘要飞秒激光过渡金属的过饱和掺杂黑硅的研究在光电子领域半导体硅材料占据主导地位，这是由于硅材料具有成本较低和现代标准COMS工艺兼容性较好的优势；但是硅由于带隙限制使其对高于1.1μm波段红外光吸收很低，因此硅材料不

5、适合应用在红外探测领域。通过飞秒激光辐照方法制备的过饱和硫掺杂黑硅材料的红外吸收率可高达90%以上，高红外吸收率的黑硅材料为硅材料在红外探测方面应用提供了有力的支持；但硫掺杂黑硅材料热退火处理后其具有较差红外吸收率热稳定性；与此同时，过饱和掺杂的硫杂质会引入较高的自由载流子浓度使其器件具有较大的背景噪声；其中热退火处理为制备器件的一个必要过程。因此我们仍难制备出具有高响应的黑硅材料探测器件。而过渡金属元素金在硅带隙中施主和受主两种杂质能级具有补偿效应，可以降低其自由载流子浓度，从而降低器件的暗电流，以提高器件响应度。因此，我们通过飞秒激光辐照方法制备出过饱

6、和金掺杂黑硅材料，希望制备出载流子浓度较低和热稳定性质红外吸收较好的黑硅材料。本文研究发现，飞秒激光辐照后过饱和金掺杂黑硅在0.25μm-2.5μm波段光吸收率均高于单晶硅衬底的光吸收率；在1.1μm-1.8μm波段过饱和金掺杂黑硅材料红外吸收率高于50%，并且红外吸收率随着激光功率的增加而呈下降趋势以及其具有较好的红外吸收热稳定性；其红外吸收率的提高是由引入的结构缺陷态和金深杂质能级子带隙跃迁共同作用的结果。另外，当金掺黑硅层中掺杂深度100nm-250nm时金杂质浓度可达1019cm-3以上，而其具有极低的表面自由载流子浓度1010cm-2-1011c

7、m-2，其是由金杂质能级间自补偿作用的结果；与此同时，在金掺杂黑硅层表面形成了硅金合金相。我们通过变温霍尔效应测试分析发现金掺杂黑硅层中金杂质电离能为612meV；我们还可发现金掺杂黑硅层霍尔系数符号是由激光功率参数和霍尔测试温度共同作用的结果，而在霍尔测试温度持续升高过程中，霍尔系数符号出现了由正到负的转变说明此时黑硅层中金杂质为受主杂质能级起主要作用。最后，我们发现在反向偏压为-10V时，金掺杂黑硅器件对1310nm波长光的响应度最高可达4.6mA/W。I关键词：飞秒激光，黑硅，红外吸收，金，深杂质能级IIAbstractStudyonSupersat

8、uratedDopedBlackSiliconwithTransi