超快脉冲激光辐照黑硅的红外吸收机制探索及近红外光电探测器件应用研究

To develop the infrared black silicon photodetector (1~3 μm) with high responsivity, low cost, and easy integration based on silicon substrate is very significant in region of national defense, military and civilian. But, the responsivity of present sulfur-doped black silicon photodetector fabricated by femtosecond laser is very low for infrared light, it is difficult to detect infrared light. The present-main problems are: (1) unclear mechanism of infrared absorption; (2) high carriers concentration in background of doped black silicon and the low signal to noise proportion. Based on our former investigation, in this project we will choose impurity with self-compensation effect as the dopant or no-doping to fabricate the pulsed laser irradiated-black silicon, and combine with the first-principles calculations. In the study we will extract the contribution of infrared absorption from sub-bandgap transition of impurities. In theory we will study on the reason for IR absorption. Then using pulsed laser annealing technique stabilize the infrared absorption. Finally, the infrared photodetector based on black silicon with high responsivity (>0.5 A/W@1.55 μm) will be obtained. This research is very useful for the application of silicon to infrared photodetector.

研制在近红外波段（1~3μm）具有高响应度、低成本、易于硅基集成的黑硅红外光电探测器件对于国防、军事及民用均具有重要意义。然而，目前飞秒激光硫掺杂的黑硅探测器在近红外波段的响应度较低（20mA/W@1.55μm），难以应用于近红外探测。其存在的主要问题有：（1）近红外吸收机理尚不明确；（2）高浓度掺杂伴随高的背景载流子浓度，导致器件信噪比低。本项目拟在申请者前期良好工作基础上，提出具有低背景自由载流子浓度黑硅（无掺杂及过饱和自补偿杂质掺杂）的超快脉冲激光制备，实验上从复杂的红外吸收中分离出对红外探测具有实际贡献的杂质子代跃迁红外吸收；结合第一性原理计算，理论上明晰超快激光辐照黑硅的电子结构对近红外吸收的影响机制；采用脉冲激光退火等新工艺稳定红外吸收。最终制备在近红外波段具有高响应度的黑硅红外光电探测器件（>0.5A/W@1.55μm）。为我国高性能黑硅探测器件的自主创新研制提供重要建议。

本项目研究目标是通过超快脉冲激光辐照黑硅的实验制备与第一性原理计算相结合的方式，从理论上揭示出脉冲激光辐照黑硅的红外吸收及光电转换机理，掌握超快脉冲激光可控掺杂黑硅的制备技术，制作在近红外波段（1～3 µm）具有高响应度的近红外探测器件。在获得国家自然科学面上基金资助的四年期间，研究条件得到显著改善，在四方面研究取得显著进展。(1) 脉冲激光烧蚀黑硅的红外吸收机制探索。基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学模拟了脉冲激光烧蚀硅的红外吸收根源。[Results in Physics 31, 104941 (2021)]；利用飞秒激光制备了过饱和氮掺杂黑硅，通过实验和理论相结合的方式明确了过饱和氮掺杂黑硅中的红外吸收机制 [IEEE Sens. J. 18, 3595 (2018)]。(2) 超快脉冲激光烧蚀黑硅的光电特性研究。利用飞秒激光辐照分别获得了过饱和金掺杂、过饱和铬掺杂及过饱和钼掺杂的黑硅材料。三种过渡金属掺杂的黑硅材料均表现明显的子带吸收增强特性，证明了黑硅材料的子带吸收与深能级杂质掺杂的内在联系，[IEEE Trans. Nanotechnol. 16, 502 (2017)；Semicond Sci. Technol. 35, 015019 (2020)；Opt. Lett. 46, 3300 (2021)] ；制备了过饱和氮掺杂及非掺杂的黑硅材料，二者均表现出红外吸收热退火稳定的优异性能[Opt. Lett. 43, 1710 (2018)]。(3) 高性能黑硅红外探测器的研制：制备的非掺杂黑硅光电探测器在5V反向偏压下对1.31µm红外光的响应度高达256mA / W，这一值远高于报道的纯Si体结构光电二极管的响应度，同时探测器对960 nm的红外光的响应度高达8 A/W，器件的量子效率达1007% [IEEE Trans. Electron. Devices 65, 4905 (2018)]；制备的过饱和铬掺杂黑硅光电二极管，器件对1.31µm近红外光的响应度为0.57 A/W，对1.55µm近红外光的响应度为72.8 mA/W，[IEEE. Sens. J 21, 25695 (2021)]。(4) 依托项目资助在宽禁带半导体材料及探测器的研究中也取得显著的研究成果。以上研究为我国在黑硅红外探测材料制备及红外探测器件研制等方面提供有益参考。