飛秒激光氮重摻硅材料的性質(zhì)及其應用.pdf

1、論文采用飛秒激光重摻雜技術，在普通硅材料中摻雜氮元素。采用該摻雜技術在硅中所摻氮原子的濃度大約為1020/cm3，遠遠超過氮在硅晶格中的固溶度，即4.5×1015/cm3;同時也遠遠超出傳統(tǒng)氮摻雜方法所摻雜的濃度（大約為1015/cm3）。由于氮的重摻，使這種硅基材料表現(xiàn)出了一些獨特的物理性質(zhì)，不僅拓寬了普通硅材料的光吸收范圍，使之在紅外波段，尤其是中紅外波段產(chǎn)生較強的光吸收，并且由于氮原子在硅晶格中的缺陷修復作用，使得該材料的重摻雜層

2、具有很高的晶體結(jié)構(gòu);與此同時，在激光摻雜的過程中，可以在硅片的表面形成一系列微米量級的準規(guī)則排列的尖錐狀結(jié)構(gòu)，而這種微觀結(jié)構(gòu)也可以起到一定程度的減反作用。論文分三個部分對該材料的結(jié)構(gòu)特性、光學特性和實際應用等方面進行了詳細的探討。
　　首先，研究了這種氮重摻硅基材料的結(jié)構(gòu)特征。分別在三氟化氮氣體和氮氣的環(huán)境下，采用飛秒激光輻射硅表面，得到了兩種不同微觀表面結(jié)構(gòu)的硅材料。其中，在三氟化氮氣體中制備的樣品，在硅的表面形成了非常尖銳的圓

3、錐型結(jié)構(gòu)，這歸結(jié)為激光輔助化學刻蝕和飛秒激光非熱消融兩種機制的共同作用結(jié)果。而在氮氣中制備的樣品，得到的樣品表面微觀結(jié)構(gòu)的體積較大，尖錐較鈍，這主要是激光非熱消融作用的結(jié)果。在三氟化氮中制備的樣品，得到的微結(jié)構(gòu)具有很高的晶體結(jié)構(gòu)，這主要是由于氮原子可以和硅晶格中的空位及自間隙的硅原子形成復合物，進而大幅度降低缺陷含量。而氮氣環(huán)境下得到的結(jié)構(gòu)，主要以非晶硅為主，這跟所摻雜的氮在硅晶格中的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關。隨著激光通量的增加，刻蝕與消融的過

4、程越來越劇烈，進而產(chǎn)生尺度越來越大的微觀結(jié)構(gòu)。與氮氣中制備的樣品相比，在三氟化氮中制備的材料的微結(jié)構(gòu)表面非常光滑，沒有那些納米尺度的顆粒，這歸因于三氟化氮在硅表面的清潔作用。
　　其次，論文研究了該氮重摻硅材料的光學性質(zhì)。結(jié)果顯示，在三氟化氮和氮氣環(huán)境下制備的樣品，在中紅外波段（2.5-17μm）都具有比較強的光吸收，并且吸收強度隨微結(jié)構(gòu)尺度的增加變化較小。這歸結(jié)為氮元素的摻雜在硅的禁帶里面引入了雜質(zhì)能級，當雜質(zhì)的濃度很高時，雜質(zhì)

5、能級在硅禁帶中擴展為雜質(zhì)能帶，進而產(chǎn)生對能量小于禁帶寬度的光子的吸收。另外，三氟化氮中制備的樣品在不同溫度下(600，800，和1000 K)退火后，中紅外波段的吸收幾乎沒有變化，具有很好的熱穩(wěn)定性，這跟氮原子在硅晶格中的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)有關。而在氮氣中摻雜的樣品，在中紅外波段的3-7μm，14-16μm處略有提升。在近紅外波段，兩種材料的光學性質(zhì)類似，吸收比隨波長增加逐漸降低，最終穩(wěn)定在30％-40％;退火之后，在1000-1700 nm波段