連續(xù)激光誘導(dǎo)Ni摻雜過飽和單晶Si材料的探索.pdf

1、由于過飽和摻雜的硅基雜質(zhì)中間帶材料在中間帶太陽電池和紅外探測(cè)器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，近年來受到了各國科研工作者的廣泛關(guān)注和研究。本文首次選用Ni作為摻雜元素，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)Ni摻雜過飽和單晶Si材料形成中間帶的可行性進(jìn)行了探索。理論方面，基于密度泛函理論(DFT)對(duì)Ni摻雜體Si的形成能、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。實(shí)驗(yàn)方面，采用濺射鍍膜結(jié)合連續(xù)線形激光掃描的方法成功制備了Ni摻雜過飽和單晶Si材料;探討了Ni摻雜

2、過飽和單晶Si層的形成過程，并對(duì)Ni摻雜過飽和單晶Si材料的結(jié)晶特性與光電特性進(jìn)行了表征與分析。本文所開展的研究工作及主要研究結(jié)果如下:
　　1.基于第一性原理計(jì)算研究了Ni間隙和替位摻雜體Si后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)。結(jié)論如下:(1)Ni以間隙位的形式存在于Si的晶格中最穩(wěn)定。(2)間隙位Ni摻雜體Si后在導(dǎo)帶底(CBM)下方幾十電子毫伏的位置出現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)立的、空的能帶。這個(gè)能帶在能量上與導(dǎo)帶底有很大的交疊，故也可看做

3、導(dǎo)帶底。將這個(gè)能帶看做導(dǎo)帶底后，材料為直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶變窄，禁帶寬度約為體硅的0.85倍，價(jià)帶頂(VBM)的態(tài)密度有顯著增大。(3)替代位Ni摻雜體Si后在Si的禁帶中引入一個(gè)獨(dú)立的、半滿中間帶（IB）。這個(gè)中間帶主要來自Ni-d和Si-p態(tài)電子的貢獻(xiàn)，位于導(dǎo)帶下方幾百電子毫伏的位置。摻雜后的材料禁帶變寬，禁帶寬度約為體Si的1.2倍，VBM和CBM對(duì)應(yīng)的高對(duì)稱點(diǎn)位置都有所變化。由于形成了半滿中間帶，Ni替代摻雜體Si后所得材料在低

4、溫時(shí)的電導(dǎo)率將具有“類金屬性”;在近紅外波段內(nèi)的子帶光吸收都有顯著增加。(4)雖然間隙Ni摻雜Si單獨(dú)無法形成中間帶;但當(dāng)其與替代位Ni共同摻雜Si時(shí)，是會(huì)對(duì)中間帶有貢獻(xiàn)的。
　　2.采用磁控濺射和連續(xù)線形激光(Nd∶ YAG)誘導(dǎo)摻雜的方法制備得到了Ni摻雜過飽和單晶Si材料。優(yōu)化得到了一組制備樣品的最佳工藝參數(shù)為:(1)Ni薄膜的厚度設(shè)置為80 nm;(2)加熱臺(tái)的溫度設(shè)置為250℃;(3)連續(xù)線形激光器的輸出功率設(shè)置為200

5、 W;(4)二維加熱臺(tái)移動(dòng)的速度設(shè)置為2mm/s;(5)激光掃描次數(shù)為6次。在此工藝參數(shù)條件下制備得到的Ni摻雜過飽和單晶Si材料的過飽和層，在距離表面35 nm區(qū)域厚度內(nèi)，Ni原子的濃度超過了Mott濃度5.9×1019cm-3。
　　3.對(duì)Ni摻雜過飽和單晶Si材料的結(jié)晶特性進(jìn)行了表征，并研究了激光掃描次數(shù)對(duì)樣品結(jié)晶性的影響。激光掃描次數(shù)小于6次時(shí)對(duì)結(jié)晶性影響很小;大于6次后在p-Si∶Ni樣品中在距離表面幾十納米區(qū)域內(nèi)開始形

6、成團(tuán)簇顆粒，當(dāng)掃描次數(shù)達(dá)到11次時(shí)團(tuán)簇顆粒的直徑尺寸達(dá)到幾個(gè)納米數(shù)量級(jí);Ni過飽和摻雜層主要包含Ni、O、Si三種元素。激光掃描次數(shù)為16次時(shí)，樣品結(jié)晶特性明顯變差。
　　4.對(duì)Ni摻雜過飽和單晶Si表面Ni摻雜層的載流子濃度進(jìn)行了表征，并研究了激光掃描次數(shù)對(duì)表面Ni摻雜層載流子濃度的影響。激光掃描鍍有Ni薄膜的晶Si樣品會(huì)使p-Si∶Ni樣品表面區(qū)域的載流子濃度發(fā)生顯著改變;隨著激光掃描次數(shù)的不同載流子的導(dǎo)電類型和濃度也有不同。

7、隨著激光掃描次數(shù)的增加，表面摻雜層的載流子類型及濃度依次經(jīng)歷了從p→p+→n+→p+的變化過程。
　　5.對(duì)Ni摻雜過飽和單晶Si材料的電學(xué)特性進(jìn)行了表征。在80～300 K溫度區(qū)間內(nèi)p-Si∶Ni樣品的載流子濃度出現(xiàn)了一個(gè)極值，預(yù)示著p-Si∶Ni樣品中可能至少有兩個(gè)能帶參與導(dǎo)電，這兩個(gè)能帶中可能包含了雜質(zhì)帶。采用雙能帶導(dǎo)電模型對(duì)載流子濃度的溫度相關(guān)性進(jìn)行擬合，得到了兩能帶之間的相對(duì)位置和及雜質(zhì)濃度。同時(shí)，室溫(300K)少子壽

8、命測(cè)試表明p-Si∶Ni樣品的平均少子壽命約為42μs，較未摻雜的p-Si襯底(平均少子壽命約5μs)有顯著提高。
　　6.對(duì)Ni摻雜過飽和單晶Si材料在室溫下的光學(xué)特性和光電響應(yīng)進(jìn)行了表征。光學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，在波長(zhǎng)大于1200nm光波的光照下，p-Si∶Ni樣品近紅外光的吸收顯著增強(qiáng);表面光伏譜(SPVS)測(cè)試與外量子效率(EQE)測(cè)試也均出現(xiàn)了明顯的光電響應(yīng)，這些結(jié)果同時(shí)說明在p-Si∶Ni材料的能帶結(jié)構(gòu)中可能形成了雜質(zhì)中間帶