微结构硅的红外光学特性和探测性能研究

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硅作为重要的半导体材料在基础研究和光电器件方面都起着非常重要的作用。对于红外波段而言,根据掺杂和结构形貌的不同,硅呈现出从完全吸光到完全透明之间宽范围可调控的光学性质,在光波导、探测器以及红外辐射和吸波器件等方面具有重要的研究价值和应用前景。鉴于微结构硅与光相互作用过程中呈现出复杂的物理机理和光学现象,本论文对微结构硅在红外波段的基础光学特性和红外探测性能开展了研究,实验制备了多孔硅、周期性锥状硅和随机锥状硅样品,测试并分析了这些微结构硅样品的红外吸收、热辐射和光电探测响应等特性及其物理机理,发现了掺杂诱导的红外吸收和辐射光谱变窄现象,揭示了周期性锥状硅中的光学共振模式特点和红外宽带吸收增强机理以及随机锥状硅的光电探测角度响应特性,这些研究结果对于微结构硅的基础性质理解和硅基红外器件研制具有参考意义和启发价值。本论文主要的创新研究工作包括:1.在多孔掺杂硅中实现了2~18μm中红外宽光谱的强吸收和热辐射特性,揭示了掺杂浓度和随机孔结构对硅红外特性的影响规律。论文利用金属辅助酸刻蚀方法制备了不同孔尺寸和不同掺杂浓度的多孔硅样品,红外光谱测试结果表明多孔硅在2~18μm波长范围内的吸收率和辐射率均超过80%,该红外吸收和热辐射增强效应源于多孔硅中光散射增强的自由载流子吸收,其在短波段的增强效应比长波段更显著,与表面纳米孔洞的Rayleigh散射特性规律一致;此外论文还发现当掺杂浓度大于1.78×1018cm-3时,出现红外吸收和辐射光谱变窄现象,该现象由硅中自由电子的等离子体边缘效应导致,这些结果有助于理解硅中自由载流子的红外响应特性和规律。2.阐明了周期性锥状硅中的红外宽带光吸收增强的物理机理。论文采用氮化硅掩膜和各向异性碱法刻蚀工艺制备了不同周期和不同尺寸的周期性锥状硅,实验结果和理论分析表明周期性锥状硅在1.5~15μm红外波段吸收率超过80%,该宽带强吸收由Rayleigh-Wood异常模式、等离子局域磁共振以及折射率渐变效应等三种因素导致,其中Rayleigh-Wood异常模式的波长随锥状硅周期增大而变大,等离子局域磁共振随锥尺寸变大产生频率红移、随掺杂浓度增大发生蓝移,而折射率渐变效应则由结构表面的阻抗变化引起,具有宽带特点。论文结果有助于理解锥状硅中的共振模式特点以及锥状硅与光的相互作用机理。3.揭示了随机锥状硅中光电探测响应的角度特性,研究结果表明随机锥结构增加了光电响应的角度敏感性,并抑制了布儒斯特角效应。论文利用碱法刻蚀和金属镀膜工艺制备了随机锥状硅-金肖特基结样品,I-V特性和光电流谱测试结果表明,随机锥状硅在980 nm、1~1.18μm近红外波段具有载流子带间跃迁导致的探测响应,在1300 nm处还具有能带隙以下的探测响应;当光入射角从0°增加到80°时,s和p两种偏振下的光电流响应均迅速下降,表现出比平面硅更敏感的角度特性;此外,在p偏振下随机锥状硅光电响应角度特性与平面硅显著不同,平面硅的光电响应随入射角增加先增加,当入射角大于布儒斯特角时,平面硅的光电响应开始下降,而随机锥状硅的光电响应随角度增加单调下降,不具备布儒斯特角效应。论文结果有助于理解光倾斜入射情况下的器件探测性能。
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