微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料：構(gòu)筑、特性與應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在半導體材料的廣袤領(lǐng)域中，硅基材料憑借其獨特的優(yōu)勢，始終占據(jù)著舉足輕重的地位。從儲量角度來看，硅在地球上儲量極為豐富，這為其大規(guī)模應(yīng)用提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)，使其成本相較于許多其他半導體材料具有顯著優(yōu)勢。同時，硅具備良好的化學穩(wěn)定性，在復雜的環(huán)境和工藝條件下，能維持自身的化學性質(zhì)，保證器件的長期穩(wěn)定運行。在微電子工藝技術(shù)不斷發(fā)展的進程中，硅基材料更是展現(xiàn)出了卓越的適應(yīng)性。其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝高度兼容，這使得基于硅基材料制造的各類器件，如晶體管、集成電路等，能夠借助成熟的CMOS工藝平臺，實現(xiàn)大規(guī)模、高精度的批量生產(chǎn)，極大地推動了半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為現(xiàn)代電子設(shè)備的小型化、高性能化提供了可能。在當前的科技時代，從日常使用的智能手機、平板電腦，到數(shù)據(jù)中心的核心服務(wù)器，再到工業(yè)自動化中的各類控制芯片，硅基材料制造的集成電路無處不在，支撐著現(xiàn)代信息技術(shù)的高效運行，成為推動社會數(shù)字化、智能化發(fā)展的關(guān)鍵力量。然而，隨著科技的飛速發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)怆娖骷男阅芴岢隽嗽絹碓礁叩囊?，尤其是在近紅外波段的應(yīng)用需求日益增長。在光通信領(lǐng)域，隨著數(shù)據(jù)傳輸量的爆炸式增長，對通信帶寬和速度的要求不斷提高，近紅外波段的光信號由于其較低的傳輸損耗和較高的信息承載能力，成為實現(xiàn)高速、長距離通信的關(guān)鍵。硅基光電器件若能在近紅外波段具備良好的性能，將為光通信網(wǎng)絡(luò)的升級換代提供有力支持，實現(xiàn)更高速、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。在生物醫(yī)學檢測領(lǐng)域，近紅外光具有較強的組織穿透能力，能夠深入生物組織內(nèi)部，通過檢測組織對近紅外光的吸收、散射等特性，可以實現(xiàn)對生物分子、細胞結(jié)構(gòu)以及生理功能的無創(chuàng)或微創(chuàng)檢測?；诠杌牧系慕t外光電器件有望開發(fā)出小型化、高靈敏度的生物醫(yī)學檢測設(shè)備，用于疾病的早期診斷、實時監(jiān)測和個性化治療，為醫(yī)療健康領(lǐng)域帶來新的突破。在安防監(jiān)控領(lǐng)域，近紅外光在夜間或低光照環(huán)境下具有良好的成像能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標的清晰監(jiān)測，基于硅基的近紅外光電器件可以提升安防監(jiān)控系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)更廣泛的監(jiān)控范圍、更高的分辨率和更強的抗干擾能力，為社會安全提供更可靠的保障。傳統(tǒng)的硅基材料在近紅外波段卻存在著明顯的局限性。硅的禁帶寬度約為1.12eV，這一特性使得其對近紅外光的吸收能力較弱，光電響應(yīng)截止波長大約在1100nm左右，難以滿足上述諸多領(lǐng)域?qū)t外波段光信號的有效探測、發(fā)射和調(diào)制等需求。為了突破這一限制，拓展硅基光電器件在近紅外波段的應(yīng)用范圍，研究人員將目光聚焦于微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料。通過對硅材料進行微結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工，如構(gòu)建納米線、納米孔、量子點等微納結(jié)構(gòu)，以及引入特定的雜質(zhì)原子進行摻雜，能夠改變硅材料的電子結(jié)構(gòu)和光學特性，從而有效提升其在近紅外波段的光吸收、發(fā)射和光電轉(zhuǎn)換效率等性能。這種微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的研究，不僅具有重要的科學意義，能夠深化我們對硅材料在微納尺度下光學和電學特性的理解，推動半導體物理和材料科學的發(fā)展；更具有巨大的應(yīng)用價值，有望為光通信、生物醫(yī)學、安防監(jiān)控等多個領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性的解決方案，促進相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和發(fā)展，為社會的進步和人們生活質(zhì)量的提升做出重要貢獻。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的研究在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注，眾多科研團隊從材料制備、光電特性研究以及應(yīng)用探索等多個維度展開了深入研究，取得了一系列具有重要價值的成果。在材料制備方面，國內(nèi)外研究人員采用了多種先進技術(shù)。中國科學院微電子研究所的科研團隊在《微結(jié)構(gòu)硅基光電二極管的近紅外響應(yīng)特性研究》一文中指出，通過離子注入將硫元素擴散至硅材料內(nèi)，并結(jié)合飛秒脈沖激光加工工藝，成功構(gòu)建了微結(jié)構(gòu)硅，實現(xiàn)了PN型黑硅光電二極管在中紅外光譜的響應(yīng)。具體實驗過程為，在室溫下，將300μm厚度、7.8-11.2Ω?cm電阻率的單面拋光P型（100）面單晶硅進行離子注入，注入劑量分別為1×101?、1×101?和1×101?離子/cm2，注入能量為1.2keV32S+，注入深度大約40nm，離子注入后采用快速熱退火方式修復晶硅表面缺陷，P型單晶硅背面采用熱擴散技術(shù)高摻雜硼102?cm?3，再使用1kHz的飛秒脈沖激光進行微納加工，最終實現(xiàn)了材料結(jié)構(gòu)的有效構(gòu)建。南京航空航天大學與安徽北方微電子研究院的科研團隊根據(jù)納米金屬粒子發(fā)生局域表面等離子共振時產(chǎn)生的近場增強效應(yīng)，提出并設(shè)計了一種硅基的、納米金屬粒子梯度摻雜的近紅外波段吸收增強薄膜。通過等效介質(zhì)理論計算不同濃度下?lián)诫s層的介電常數(shù)，并模擬計算薄膜在不同波長下的吸收率，結(jié)果表明該設(shè)計可以有效提高硅的近紅外波段吸收率，提升效果最高可達到10.7dB。國外也有諸多類似研究，如一些團隊利用分子束外延（MBE）技術(shù)，精確控制原子層的生長，制備出具有特定結(jié)構(gòu)和性能的硅基量子點或量子阱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對硅材料電子態(tài)和光學性質(zhì)的精準調(diào)控；還有團隊采用化學氣相沉積（CVD）技術(shù)，在硅襯底上生長高質(zhì)量的硅納米線陣列，通過控制納米線的直徑、長度和密度等參數(shù)，優(yōu)化材料的光吸收和散射特性，以滿足近紅外應(yīng)用的需求。在光電特性研究方面，科研人員針對微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光吸收、發(fā)射和光電轉(zhuǎn)換等特性展開了深入探索。中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合東南大學的研究團隊提出了Au納米顆粒修飾Si金字塔結(jié)構(gòu)的方案，實驗證明該結(jié)構(gòu)增強了入射光子與Au納米顆粒之間的耦合效應(yīng)，減少了背反射光，使得光子在Au納米顆粒內(nèi)部多次反射，增加了入射光走的距離，同時Au納米粒子的引入還增強了器件的局部電磁場，從而顯著提高了光電轉(zhuǎn)換量子效率。他們進一步采用Au納米顆粒-介質(zhì)-金反射鏡的結(jié)構(gòu)，充分利用無序金屬納米顆粒的寬帶高光學吸收和Au/TiO?/Si組成的全向肖特基結(jié)，在光學與電學兩個方面同時入手提高光電轉(zhuǎn)換的內(nèi)外量子效率，使光電響應(yīng)度達到目前較高水平，硅光電響應(yīng)截止波長擴展到近2μm。此外，通過時間分辨的IV正反偏壓測試分析，深入剖析了光熱電過程中熱電子光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)的關(guān)系。國外相關(guān)研究中，有團隊利用光致發(fā)光光譜（PL）和光電流譜（PC）等測試手段，研究微結(jié)構(gòu)硅基材料在近紅外光激發(fā)下的載流子產(chǎn)生、傳輸和復合過程，揭示了材料內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換機制；還有團隊通過理論模擬與實驗相結(jié)合的方法，研究不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)對材料光電特性的影響規(guī)律，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。在應(yīng)用研究方面，微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料在光通信、生物醫(yī)學檢測、安防監(jiān)控等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在光通信領(lǐng)域，有研究致力于開發(fā)基于微結(jié)構(gòu)硅基材料的近紅外光探測器和發(fā)光二極管，以提高光通信系統(tǒng)的傳輸速率和距離。在生物醫(yī)學檢測領(lǐng)域，一些研究利用微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料對生物分子的特異性吸收和散射特性，開發(fā)新型的生物傳感器，用于生物分子的檢測和分析。在安防監(jiān)控領(lǐng)域，基于微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的圖像傳感器能夠在低光照環(huán)境下實現(xiàn)清晰成像，提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能。盡管國內(nèi)外在微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的研究上取得了顯著進展，但當前研究仍存在一些不足之處。在材料制備方面，部分制備工藝復雜、成本較高，難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，且制備過程中的工藝參數(shù)對材料性能的影響機制尚未完全明確，導致材料性能的一致性和穩(wěn)定性有待提高。在光電特性研究方面，雖然對一些常見微結(jié)構(gòu)的光電特性有了一定的認識，但對于復雜微結(jié)構(gòu)和多物理場耦合作用下的光電特性研究還不夠深入，理論模型的準確性和普適性仍需進一步驗證。在應(yīng)用方面，微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料與現(xiàn)有器件和系統(tǒng)的集成技術(shù)還不夠成熟，面臨著兼容性和可靠性等問題，限制了其在實際應(yīng)用中的推廣和發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料，旨在深入探究其微觀結(jié)構(gòu)、光電特性以及相關(guān)影響因素，為其在光電器件中的應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的制備與結(jié)構(gòu)表征：采用離子注入、飛秒脈沖激光加工等技術(shù)，制備具有特定微結(jié)構(gòu)的硅基近紅外材料。例如，參考中國科學院微電子研究所的方法，在室溫下將300μm厚度、7.8-11.2Ω?cm電阻率的單面拋光P型（100）面單晶硅進行離子注入，注入劑量分別設(shè)定為1×101?、1×101?和1×101?離子/cm2，注入能量為1.2keV32S+，注入深度大約40nm，離子注入后采用快速熱退火方式修復晶硅表面缺陷，P型單晶硅背面采用熱擴散技術(shù)高摻雜硼102?cm?3，再使用1kHz的飛秒脈沖激光進行微納加工。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等手段，對材料的微觀結(jié)構(gòu)進行詳細表征，獲取微結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、分布等信息，為后續(xù)的性能研究提供基礎(chǔ)。微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光電特性研究：通過光致發(fā)光光譜（PL）、光電流譜（PC）等測試方法，系統(tǒng)研究材料在近紅外波段的光吸收、發(fā)射和光電轉(zhuǎn)換特性。例如，采用傅里葉變換（FTIR）光電流光譜測試方法，研究硅材料中的雜質(zhì)形成的雜質(zhì)態(tài)/中間能級是否增強了硅在近紅外至中紅外波段的光譜響應(yīng)。測試時，F(xiàn)TIR發(fā)出的紅外光經(jīng)內(nèi)部的邁克遜干涉儀調(diào)制后輸出至外部光路，該光束通過偏振片后變?yōu)閟或p線偏振光，經(jīng)過200Hz的信號調(diào)制后輻照樣品表面，樣品產(chǎn)生的光電流隨后輸入到鎖相放大器，經(jīng)解調(diào)后的直流信號進一步反饋至FTIR光譜儀，最終在步進掃描的模式下獲得樣品在近紅外至中遠紅外波段的光電流頻譜。分析材料的光電特性與微觀結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示微結(jié)構(gòu)對光電性能的影響機制。影響微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料光電特性的因素分析：從材料的化學成分、微結(jié)構(gòu)參數(shù)以及外部環(huán)境條件等多個方面，分析影響材料光電特性的因素。研究不同摻雜元素和濃度對材料電子結(jié)構(gòu)和光電性能的影響，探討微結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、密度等參數(shù)與光電特性之間的關(guān)系，同時考慮溫度、光照強度等外部環(huán)境因素對材料性能的影響，為材料的性能優(yōu)化提供方向。1.3.2研究方法本研究綜合運用實驗研究和模擬計算相結(jié)合的方法，深入開展對微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的研究。實驗研究方法：在材料制備實驗中，嚴格按照既定的工藝步驟和參數(shù)進行操作，確保制備過程的準確性和可重復性。如在離子注入和激光加工過程中，精確控制注入劑量、能量、激光參數(shù)等，以獲得預期的微結(jié)構(gòu)硅基材料。在性能測試實驗中，選用先進的測試設(shè)備，如配備積分球檢測器的UV3600型號UV-Vis-NIR分光光度計用于測量材料的反射率（R）和透射率（T），通過A=1?R?T計算吸收率（A）；利用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)在室溫下測量載流子的濃度和遷移率。同時，設(shè)置多組對比實驗，研究不同因素對材料性能的影響，確保實驗結(jié)果的可靠性和科學性。模擬計算方法：運用有限元方法（FEM）、時域有限差分法（FDTD）等數(shù)值模擬方法，對微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光學和電學特性進行模擬計算。通過建立合理的物理模型，輸入材料的相關(guān)參數(shù)和微結(jié)構(gòu)信息，模擬材料在近紅外光照射下的光傳播、吸收和載流子輸運過程，預測材料的光電性能。例如，使用FDTD方法模擬計算復合介質(zhì)在可見光和近紅外波段的吸收，通過設(shè)置不同的摻雜方式和納米金屬粒子，分析其對吸收性能的影響。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模擬模型的準確性，進一步深入理解材料的光電特性和作用機制，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導。二、微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料概述2.1微結(jié)構(gòu)硅基材料的基本概念微結(jié)構(gòu)硅基材料，是指通過特定的微納加工技術(shù)，在硅材料的微觀尺度上構(gòu)建出具有特定形狀、尺寸和排列方式的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的特征尺寸通常在納米至微米量級。這種材料的微觀結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)硅基材料有著顯著的差異。傳統(tǒng)硅基材料在微觀層面呈現(xiàn)出較為均勻、連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，原子按照一定的晶格規(guī)律有序排列，如常見的單晶硅具有金剛石結(jié)構(gòu)，原子在三維空間中整齊排列，形成規(guī)則的晶格網(wǎng)絡(luò)。而微結(jié)構(gòu)硅基材料則打破了這種均勻性，引入了多樣化的微納結(jié)構(gòu)，如硅納米線是一種具有高長徑比的一維納米結(jié)構(gòu)，其直徑通常在幾十到幾百納米之間，長度可以達到微米甚至毫米量級，這些納米線以陣列或隨機分布的形式存在于硅基材料中；硅納米孔則是在硅材料內(nèi)部形成的納米級孔洞，其形狀和尺寸可以通過制備工藝精確控制，孔洞的分布也可以根據(jù)需求進行設(shè)計；量子點是一種準零維的納米結(jié)構(gòu)，其尺寸在幾個到幾十個納米之間，量子點的電子在三個維度上都受到限制，呈現(xiàn)出獨特的量子效應(yīng)。這些微結(jié)構(gòu)的引入，使得硅基材料在微觀層面的結(jié)構(gòu)變得更加復雜和多樣化。從性能角度來看，微結(jié)構(gòu)硅基材料與傳統(tǒng)硅基材料也存在著明顯的差異。在光學性能方面，傳統(tǒng)硅基材料由于其能帶結(jié)構(gòu)的限制，對近紅外光的吸收能力較弱，光電響應(yīng)截止波長大約在1100nm左右。而微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料通過微結(jié)構(gòu)的設(shè)計和調(diào)控，可以顯著增強對近紅外光的吸收和發(fā)射。如硅納米線陣列可以通過光的散射和多次反射，增加光在材料內(nèi)部的傳播路徑，從而提高光吸收效率；量子點由于量子限域效應(yīng)，其能級結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能夠?qū)崿F(xiàn)對近紅外光的高效發(fā)射和吸收。在電學性能方面，傳統(tǒng)硅基材料的載流子遷移率和擴散長度等參數(shù)相對固定。微結(jié)構(gòu)硅基材料中的微結(jié)構(gòu)可以對載流子的輸運產(chǎn)生影響，如納米線結(jié)構(gòu)可以提供一維的載流子傳輸通道，減少載流子的散射，提高載流子遷移率；量子點結(jié)構(gòu)則可以通過量子隧穿等效應(yīng)，改變載流子的傳輸特性。在熱學性能方面，微結(jié)構(gòu)的引入也會改變材料的熱導率等熱學參數(shù)，由于微結(jié)構(gòu)的存在增加了聲子散射的界面，使得微結(jié)構(gòu)硅基材料的熱導率通常低于傳統(tǒng)硅基材料。這些性能上的差異，使得微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料在光通信、生物醫(yī)學檢測、安防監(jiān)控等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力，能夠滿足傳統(tǒng)硅基材料無法滿足的高性能需求。2.2近紅外材料的特性與應(yīng)用領(lǐng)域近紅外材料具有獨特的光學和電學特性，這些特性決定了其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。在光學特性方面，近紅外材料對近紅外光（波長范圍通常在700-2500nm）具有特定的吸收、發(fā)射和散射特性。從吸收特性來看，不同的近紅外材料由于其原子結(jié)構(gòu)、化學鍵以及電子態(tài)等因素的差異，對近紅外光的吸收表現(xiàn)出明顯的選擇性。一些半導體近紅外材料，如碲鎘汞（HgCdTe），其禁帶寬度可以通過調(diào)整汞鎘的比例在一定范圍內(nèi)變化，從而使其對不同波長的近紅外光具有不同的吸收能力，在紅外探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。某些有機近紅外染料，由于其分子結(jié)構(gòu)中的共軛體系和特定官能團，能夠吸收特定波長的近紅外光，實現(xiàn)光-熱或光-電轉(zhuǎn)換，在生物醫(yī)學成像和光熱治療等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。在發(fā)射特性方面，一些稀土摻雜的近紅外發(fā)光材料，如摻鐿（Yb3?）、鉺（Er3?）等稀土離子的材料，在受到特定波長的光激發(fā)后，能夠通過多光子過程或能量傳遞機制發(fā)射出近紅外光。這些材料在光通信中的光源、生物醫(yī)學中的熒光標記等方面具有重要應(yīng)用，其發(fā)射的近紅外光能夠在低損耗的情況下傳輸信息，或者在生物組織中實現(xiàn)深部成像，減少對生物組織的損傷。近紅外材料的散射特性也不容忽視，微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料中的納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米孔等，會對近紅外光產(chǎn)生散射作用，這種散射可以改變光的傳播路徑，增加光在材料內(nèi)部的傳播距離，從而提高光的吸收效率，在太陽能電池、光探測器等光電器件中具有重要的應(yīng)用意義。在電學特性方面，近紅外材料的電學性能與其光學性能密切相關(guān)。對于半導體近紅外材料，其載流子濃度和遷移率等電學參數(shù)對光生載流子的產(chǎn)生、傳輸和復合過程有著重要影響。以硅基近紅外材料為例，通過摻雜特定的雜質(zhì)原子，可以改變其載流子濃度，進而影響材料的光電轉(zhuǎn)換效率。當在硅中摻入磷（P）等施主雜質(zhì)時，會引入額外的電子，增加電子濃度，提高材料的電導率，有利于光生載流子的傳輸和收集。材料的電阻、電容等電學參數(shù)也會影響其在光電器件中的性能。在近紅外光探測器中，低電阻的材料可以減少信號傳輸過程中的能量損耗，提高探測器的響應(yīng)速度和靈敏度；而合適的電容值則可以保證探測器對光信號的有效存儲和處理?；谶@些特性，近紅外材料在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值。在光通信領(lǐng)域，近紅外光由于其在光纖中的傳輸損耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)長距離、高速率的數(shù)據(jù)傳輸。近紅外發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD）作為光通信系統(tǒng)中的光源，其發(fā)射的近紅外光信號經(jīng)過調(diào)制后，可以攜帶大量的信息在光纖中傳輸，滿足現(xiàn)代通信對大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。近紅外探測器則用于接收光纖中傳輸過來的光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)信息的解調(diào)。在生物醫(yī)學領(lǐng)域，近紅外光具有較強的組織穿透能力，能夠深入生物組織內(nèi)部，對生物分子、細胞結(jié)構(gòu)以及生理功能進行檢測。近紅外光譜技術(shù)可以通過分析生物組織對近紅外光的吸收、散射等特性，實現(xiàn)對生物分子的定量分析，用于疾病的早期診斷，如通過檢測血液中的葡萄糖對近紅外光的吸收特性，實現(xiàn)無創(chuàng)血糖檢測。近紅外熒光成像技術(shù)則利用近紅外熒光探針標記生物分子或細胞，在近紅外光激發(fā)下，熒光探針發(fā)射出近紅外熒光，從而實現(xiàn)對生物分子或細胞的成像和追蹤，用于腫瘤的檢測和定位。在安防監(jiān)測領(lǐng)域，近紅外材料在夜間或低光照環(huán)境下能夠發(fā)揮重要作用。近紅外攝像機利用近紅外光的反射特性，能夠在黑暗中獲取目標物體的圖像，實現(xiàn)安防監(jiān)控。近紅外傳感器還可以用于入侵檢測、火災(zāi)預警等，通過檢測環(huán)境中近紅外光的變化，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。2.3微結(jié)構(gòu)硅基與近紅外特性的關(guān)聯(lián)微結(jié)構(gòu)硅基材料之所以能夠展現(xiàn)出獨特的近紅外特性，源于其特殊的微結(jié)構(gòu)對光與物質(zhì)相互作用過程的巧妙調(diào)控，這種調(diào)控主要體現(xiàn)在光捕獲、雜質(zhì)能級等多個關(guān)鍵方面，下面將從這些方面深入探討微結(jié)構(gòu)硅基與近紅外特性的緊密關(guān)聯(lián)。從光捕獲角度來看，微結(jié)構(gòu)硅基材料中的納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米孔等，能夠顯著增強對近紅外光的捕獲能力。以硅納米線陣列為例，其高長徑比的一維結(jié)構(gòu)具有獨特的光學散射和多次反射特性。當近紅外光入射到硅納米線陣列時，由于納米線的直徑通常在幾十到幾百納米之間，遠小于近紅外光的波長，光在納米線表面會發(fā)生強烈的散射。這種散射作用使得光不再沿直線傳播，而是在納米線之間不斷地反射和折射，從而大大增加了光在材料內(nèi)部的傳播路徑。研究表明，在理想的硅納米線陣列中，光的傳播路徑可以延長數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這意味著光與硅材料的相互作用時間顯著增加，光被吸收的概率也隨之大幅提高。硅納米孔結(jié)構(gòu)也能通過光的散射和干涉效應(yīng)，將近紅外光有效地捕獲在材料內(nèi)部。當近紅外光入射到含有納米孔的硅基材料時，納米孔的邊緣會對光產(chǎn)生散射作用，這些散射光之間會發(fā)生干涉，形成復雜的光場分布，使得光在材料內(nèi)部被多次反射和吸收，實現(xiàn)了對近紅外光的高效捕獲。雜質(zhì)能級對微結(jié)構(gòu)硅基材料的近紅外吸收同樣有著重要影響。通過離子注入、擴散等技術(shù)向硅材料中引入特定的雜質(zhì)原子，如硫（S）、鍺（Ge）等，這些雜質(zhì)原子會在硅的禁帶中形成雜質(zhì)能級。以硫摻雜硅材料為例，中國科學院微電子研究所的研究團隊通過離子注入將硫元素擴散至硅材料內(nèi)，實驗發(fā)現(xiàn)硅中硫元素摻雜劑形成了雜質(zhì)能帶，引起了傳統(tǒng)硅材料光學帶隙范圍以外的近紅外至中紅外光譜吸收。具體來說，硫雜質(zhì)的引入使得硅的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在禁帶中出現(xiàn)了新的能級，這些能級與近紅外光的能量相互匹配，當近紅外光照射時，電子可以吸收光子的能量，從雜質(zhì)能級躍遷到導帶，從而實現(xiàn)對近紅外光的吸收。雜質(zhì)能級的存在還可以改變光生載流子的復合過程。由于雜質(zhì)能級為載流子提供了額外的復合通道，使得光生載流子的復合壽命發(fā)生變化，進而影響材料的光電轉(zhuǎn)換效率。當雜質(zhì)能級濃度適當時，可以有效地促進光生載流子的分離和傳輸，提高材料在近紅外波段的光電性能；但當雜質(zhì)能級濃度過高時，會增加載流子的復合中心，導致光電轉(zhuǎn)換效率下降。量子限域效應(yīng)也是微結(jié)構(gòu)硅基材料展現(xiàn)近紅外特性的重要因素。在微結(jié)構(gòu)硅基材料中，如硅量子點等準零維結(jié)構(gòu)，由于其尺寸在幾個到幾十個納米之間，電子在三個維度上都受到限制，呈現(xiàn)出顯著的量子限域效應(yīng)。這種效應(yīng)使得硅量子點的能級結(jié)構(gòu)發(fā)生離散化，與塊體硅材料的連續(xù)能級結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)量子力學理論，能級的離散化會導致材料的吸收和發(fā)射光譜發(fā)生藍移，同時也會增強材料對近紅外光的吸收和發(fā)射能力。硅量子點的尺寸越小，量子限域效應(yīng)越顯著，其能級間隔越大，對近紅外光的響應(yīng)特性也會發(fā)生明顯變化。通過精確控制硅量子點的尺寸和形狀，可以實現(xiàn)對其近紅外光學特性的精準調(diào)控，使其滿足不同應(yīng)用場景的需求。表面等離子體共振效應(yīng)在微結(jié)構(gòu)硅基與近紅外特性的關(guān)聯(lián)中也扮演著重要角色。當在微結(jié)構(gòu)硅基材料中引入金屬納米粒子，如金（Au）、銀（Ag）等，這些金屬納米粒子在近紅外光的照射下會發(fā)生表面等離子體共振。表面等離子體共振是指金屬表面的自由電子在光的激發(fā)下產(chǎn)生集體振蕩，形成表面等離子體波。這種振蕩會導致金屬納米粒子周圍的電磁場增強，并且可以將光的能量有效地耦合到硅基材料中，從而增強材料對近紅外光的吸收。中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合東南大學的研究團隊提出的Au納米顆粒修飾Si金字塔結(jié)構(gòu)，實驗證明該結(jié)構(gòu)增強了入射光子與Au納米顆粒之間的耦合效應(yīng)，減少了背反射光，使得光子在Au納米顆粒內(nèi)部多次反射，增加了入射光走的距離，同時Au納米粒子的引入還增強了器件的局部電磁場，從而顯著提高了光電轉(zhuǎn)換量子效率。表面等離子體共振效應(yīng)還可以改變材料的發(fā)光特性，通過調(diào)節(jié)金屬納米粒子的尺寸、形狀和分布等參數(shù)，可以實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)硅基材料近紅外發(fā)光的調(diào)控。三、微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的制備方法3.1離子注入與激光加工復合工藝3.1.1離子注入工藝原理與參數(shù)離子注入是一種在半導體材料制備和器件制造中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，它通過將特定離子束加速后注入到硅材料內(nèi)部，精確地改變材料的化學成分和電學性質(zhì)。以硫離子注入硅材料為例，其原理基于離子與固體物質(zhì)的相互作用。當高能硫離子束（如32S+）在電場作用下被加速到一定能量后，轟擊硅襯底表面。在注入過程中，硫離子與硅原子發(fā)生碰撞，根據(jù)碰撞理論，離子的能量會逐漸損失，其運動軌跡會發(fā)生改變。離子注入存在兩種主要的阻滯機制，一種是原子核阻滯，即注入的離子與晶格原子的原子核發(fā)生碰撞，這種碰撞會引起明顯的散射，并將能量轉(zhuǎn)移給晶格原子，可能導致晶格原子從晶格束縛能中脫離出來，從而引起晶體結(jié)構(gòu)的混亂和損傷；另一種是電子阻滯，入射離子與晶格電子產(chǎn)生碰撞，在這種碰撞中，入射離子的路徑幾乎不變，能量轉(zhuǎn)換非常小，晶體結(jié)構(gòu)的損傷也可忽略。最終，硫離子會停留在硅襯底內(nèi)的特定位置，形成一定的濃度分布，改變硅材料的電子結(jié)構(gòu)，引入新的雜質(zhì)能級。注入劑量是離子注入工藝中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它對硅材料的性能有著顯著影響。注入劑量是指單位面積上注入的離子數(shù)量。在中國科學院微電子研究所的相關(guān)研究中，對300μm厚度、7.8-11.2Ω?cm電阻率的單面拋光P型（100）面單晶硅進行離子注入時，設(shè)置了1×101?、1×101?和1×101?離子/cm2三種不同的注入劑量。當注入劑量較低時，如1×101?離子/cm2，引入的硫雜質(zhì)相對較少，對硅材料電子結(jié)構(gòu)的改變較為有限，材料的電學和光學性能變化相對較小。隨著注入劑量增加到1×101?離子/cm2，硅材料中的硫雜質(zhì)濃度相應(yīng)提高，雜質(zhì)能級的密度增加，這可能導致材料的電導率發(fā)生明顯變化，在近紅外波段的光吸收特性也會有所改變。當注入劑量進一步增大到1×101?離子/cm2時，過多的雜質(zhì)可能會導致晶格損傷加劇，形成更多的缺陷，這些缺陷可能會成為載流子的復合中心，影響材料的電學性能，同時也可能對光吸收和發(fā)射特性產(chǎn)生復雜的影響。注入能量也是影響離子注入效果的重要參數(shù)。注入能量決定了離子能夠穿透硅材料的深度。一般來說，注入能量越高，離子在硅材料中的射程越長，能夠到達的深度越深。以1.2keV32S+離子注入為例，其注入深度大約為40nm。如果注入能量較低，離子可能只能停留在硅材料的淺表層，無法充分發(fā)揮改變材料整體性能的作用。而過高的注入能量可能會導致硅材料晶格損傷過于嚴重，甚至出現(xiàn)離子穿透硅襯底的情況，同樣不利于材料性能的優(yōu)化。不同的注入能量還會影響離子在硅材料內(nèi)部的分布情況，進而影響材料的電學和光學性能。較高能量的離子注入可能會使離子在硅材料中分布得更加均勻，而較低能量的離子注入則可能導致離子在淺表層聚集，形成特定的濃度梯度分布，這種分布差異會對材料的性能產(chǎn)生不同的影響。3.1.2飛秒脈沖激光加工技術(shù)飛秒脈沖激光加工微結(jié)構(gòu)硅是一種基于超快激光與物質(zhì)相互作用的先進微納加工技術(shù)，其原理涉及到多個復雜的物理過程。飛秒脈沖激光具有極短的脈沖寬度，通常在飛秒量級（1飛秒=10?1?秒），這使得激光能夠在極短的時間內(nèi)將能量高度集中地作用于硅材料表面。當飛秒脈沖激光照射到硅材料表面時，首先發(fā)生的是光吸收過程。硅材料中的電子會迅速吸收激光光子的能量，由于脈沖時間極短，電子來不及與晶格進行充分的能量交換，從而形成了一個非平衡的電子-空穴對系統(tǒng)。這種非平衡狀態(tài)下的電子具有較高的能量，它們會在硅材料內(nèi)部產(chǎn)生強烈的熱電子發(fā)射和雪崩電離等現(xiàn)象。熱電子發(fā)射使得部分電子從硅材料表面逸出，而雪崩電離則會導致電子-空穴對的數(shù)量迅速增加，形成一個高密度的等離子體區(qū)域。在這個等離子體區(qū)域內(nèi)，電子與離子之間的碰撞頻繁發(fā)生，產(chǎn)生了極高的溫度和壓力。這種高溫高壓環(huán)境會使硅材料表面的原子獲得足夠的能量，從而克服原子間的結(jié)合力，發(fā)生熔化和蒸發(fā)等物理變化。由于飛秒脈沖激光的能量在空間上具有高度的局域性，熔化和蒸發(fā)過程主要集中在激光照射的光斑區(qū)域內(nèi)，使得硅材料表面能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的微納加工。隨著激光脈沖的持續(xù)作用和能量的不斷輸入，硅材料表面的熔化區(qū)域會發(fā)生復雜的流動和凝固過程。在凝固過程中，由于溫度梯度和表面張力等因素的影響，硅材料表面會形成各種微納結(jié)構(gòu)，如納米錐、納米柱、納米孔等。這些微結(jié)構(gòu)的形成不僅改變了硅材料的表面形貌，還對其光學、電學和力學等性能產(chǎn)生了重要影響。激光參數(shù)對微結(jié)構(gòu)形成起著關(guān)鍵作用。波長是激光的一個重要參數(shù)，不同波長的飛秒脈沖激光與硅材料的相互作用機制和效果存在差異。一般來說，較短波長的激光具有較高的光子能量，能夠更有效地激發(fā)硅材料中的電子，產(chǎn)生更強的光吸收和電離作用。在某些研究中，使用中心波長為800nm的飛秒脈沖激光對硅材料進行加工，該波長的激光能夠在硅材料表面產(chǎn)生較強的非線性光學效應(yīng)，促進微結(jié)構(gòu)的形成。通量也是一個關(guān)鍵參數(shù)，它表示單位面積上的激光能量。激光通量直接影響到硅材料表面吸收的能量密度，進而影響微結(jié)構(gòu)的形成和特征。當激光通量較低時，硅材料表面吸收的能量不足以引發(fā)強烈的熔化和蒸發(fā)過程，可能只會形成一些淺表層的微結(jié)構(gòu)或表面改性。隨著激光通量的增加，硅材料表面吸收的能量增多，熔化和蒸發(fā)過程加劇，能夠形成更深、更復雜的微結(jié)構(gòu)。在中國科學院微電子研究所的實驗中，使用激光通量為0.5J/cm2的1kHz飛秒脈沖激光進行微納加工，在這種通量條件下，成功在硅襯底表面形成了一系列具有特定形貌和尺寸的微結(jié)構(gòu)。重復頻率也會對微結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生影響。較高的重復頻率意味著在單位時間內(nèi)有更多的激光脈沖作用于硅材料表面，這會導致硅材料表面的能量積累增加，可能會使微結(jié)構(gòu)的形成過程更加連續(xù)和穩(wěn)定，同時也可能影響微結(jié)構(gòu)的生長速率和尺寸分布。3.1.3工藝實例與效果分析中國科學院微電子研究所的科研團隊進行了一項具有代表性的實驗，深入研究了離子注入與飛秒脈沖激光加工復合工藝對微結(jié)構(gòu)硅在近紅外光譜響應(yīng)的影響。實驗過程中，在室溫下，選用300μm厚度、7.8-11.2Ω?cm電阻率的單面拋光P型（100）面單晶硅作為基底材料。首先進行離子注入操作，將32S+離子以1.2keV的能量注入硅材料中，注入劑量分別設(shè)定為1×101?、1×101?和1×101?離子/cm2，注入深度大約40nm。離子注入后，為了修復晶硅表面因注入過程產(chǎn)生的缺陷，采用快速熱退火方式進行處理。隨后，對P型單晶硅背面采用熱擴散技術(shù)高摻雜硼102?cm?3。最后，使用1kHz的飛秒脈沖激光進行微納加工，其中心波長為800nm，激光通量為0.5J/cm2，將直徑200μm的激光光斑通過焦距為10cm的透鏡聚焦于真空腔中的硅襯底，形成10mm×10mm的方形圖案區(qū)域，單個脈沖的平均能量密度為0.48J/cm2。激光加工工藝結(jié)束后，再次采用快速熱退火設(shè)備在氮氣氣氛中600℃下進行30min熱退火。從實驗結(jié)果來看，采用不同離子劑量注入并經(jīng)過飛秒脈沖激光加工的硅樣品在近紅外光譜范圍內(nèi)展現(xiàn)出了不同的吸收特性。通過使用配備積分球檢測器的UV3600型號UV-Vis-NIR分光光度計對微結(jié)構(gòu)硅的反射率（R）和透射率（T）進行測量，并通過A=1?R?T計算吸收率（A），發(fā)現(xiàn)采用脈沖激光熔化處理的方式對硅樣品進行微結(jié)構(gòu)加工，其在可見光和近紅外光譜范圍內(nèi)顯示出最高的吸收率，而未采用激光熔化處理方式制備的樣品顯示出最低的吸收率。這表明飛秒脈沖激光加工能夠顯著增強硅材料對光的吸收能力，尤其是在近紅外波段。進一步研究發(fā)現(xiàn)，硅中硫元素摻雜劑形成了雜質(zhì)能帶，引起了傳統(tǒng)硅材料光學帶隙范圍以外的近紅外至中紅外光譜吸收。脈沖激光熔化重建硅表面后產(chǎn)生了一系列的微型錐體結(jié)構(gòu)，導致入射光的多次反射和吸收，即產(chǎn)生了光捕獲效應(yīng)，這也是微結(jié)構(gòu)硅在近紅外波段吸收增強的重要原因。熱退火處理工藝對微結(jié)構(gòu)硅在近紅外光譜范圍內(nèi)的吸收率產(chǎn)生了明顯的影響。熱退火處理后，微結(jié)構(gòu)硅在近紅外區(qū)域的光譜吸收降低。這主要是由兩個方面引起：一方面，退火消除了微結(jié)構(gòu)硅表面的納米結(jié)構(gòu)，降低了光捕獲效應(yīng)；另一方面，退火導致硅基體材料內(nèi)的化學鍵重排，導致硫雜質(zhì)的光學失活。在近紅外光譜范圍內(nèi)，吸收強度主要取決于摻雜劑的雜質(zhì)劑量。在熱退火過程之前，微結(jié)構(gòu)硅樣品的吸收率相對于摻雜劑量沒有顯著變化，離子注入劑量為101?、101?離子/cm2的微結(jié)構(gòu)硅樣品表現(xiàn)出相似的吸收率，而以101?離子/cm2注入的微結(jié)構(gòu)硅樣品表現(xiàn)出不明顯的下降。經(jīng)過熱退火工藝處理后，不同離子注入劑量的微結(jié)構(gòu)硅樣品吸收率均有所下降。這是因為在熱退火過程中，晶粒會擴散到過飽和硫元素摻雜劑和缺陷的晶界處，這些缺陷包括空位、懸空鍵和浮動鍵。一旦缺陷擴散至晶界處，它們將不再對硅中雜質(zhì)帶的近紅外吸收做出貢獻，從而減少了對微結(jié)構(gòu)硅樣品對近紅外至中遠紅外光譜的吸收。當退火溫度達到650℃以上時，硅禁帶中的硫元素才會發(fā)生顯著的再分布，S原子與缺陷簇復合，導致有效的硫元素摻雜濃度活性降低，進一步影響了微結(jié)構(gòu)硅在近紅外波段的吸收性能。三、微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的制備方法3.2等離子體光刻與原子層沉積技術(shù)3.2.1等離子體光刻制備微結(jié)構(gòu)陣列等離子體光刻是一種能夠突破傳統(tǒng)光學光刻衍射極限的先進微納加工技術(shù)，其原理基于表面等離子體激元（SurfacePlasmonPolaritons，SPPs）的獨特性質(zhì)。SPPs是一種在金屬與介質(zhì)界面上傳播的電磁波，它與金屬表面的自由電子相互作用，形成一種特殊的電磁模式。當光照射到具有納米結(jié)構(gòu)的金屬表面時，會激發(fā)表面等離子體激元，這些激元在金屬-介質(zhì)界面上以倏逝波的形式傳播。倏逝波具有獨特的性質(zhì)，其電場強度在垂直于界面的方向上迅速衰減，但在平行于界面的方向上可以傳播一定的距離。利用這一特性，通過設(shè)計特定的納米結(jié)構(gòu)，如納米孔陣列、納米柱陣列等，可以將倏逝波的能量集中在納米尺度的區(qū)域內(nèi)，從而實現(xiàn)高精度的光刻圖案轉(zhuǎn)移。在硅基光電探測器表面制備規(guī)則有序的微結(jié)構(gòu)陣列時，等離子體光刻技術(shù)展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。以蘇州大學電子信息學院的研究為例，他們在制備過程中，首先在n型單晶硅上采用CVD外延工藝生長一層p型硅，形成PN結(jié)。隨后，在表面旋涂六甲基二硅氮烷增粘劑，加熱固化后旋涂AZ5214光刻膠。將涂有光刻膠的硅片在95℃的熱板上烘烤90s，然后進行7s的紫外線曝光，接著進行顯影去除光刻膠。最后使用電感耦合等離子體裝置進行蝕刻約2min（刻蝕速率為3-4μm/min），成功制備出直徑4μm，周期為8μm，深度為8μm的微柱陣列。從表面形態(tài)圖可以清晰地看到，器件表面形成了規(guī)則、平整的微結(jié)構(gòu)。這種規(guī)則有序的微結(jié)構(gòu)陣列對光響應(yīng)度產(chǎn)生了重要影響。微結(jié)構(gòu)陣列的存在增加了光與硅材料的相互作用面積和路徑。當近紅外光入射到微結(jié)構(gòu)陣列表面時，光會在微柱之間發(fā)生多次散射和反射，延長了光在材料內(nèi)部的傳播距離，使得光能夠更充分地被吸收。微結(jié)構(gòu)的尺寸和周期與近紅外光的波長具有一定的匹配關(guān)系，能夠增強光的局域電場，提高光的吸收效率，從而有效提升了硅基光電探測器在近紅外波段的光響應(yīng)度。3.2.2原子層沉積生長Al?O?膜原子層沉積（AtomicLayerDeposition，ALD）是一種基于化學反應(yīng)“自限性”的精確薄膜沉積技術(shù)，其原理是通過交替引入兩種化學前體，使其在襯底表面發(fā)生自限性的化學反應(yīng)，從而實現(xiàn)原子或分子層的逐層生長。在微結(jié)構(gòu)表面生長Al?O?膜時，以三甲基鋁（TMA）和去離子水作為前驅(qū)體。首先將TMA引入反應(yīng)室，TMA分子會在微結(jié)構(gòu)表面發(fā)生化學吸附，形成單分子層。然后用惰性氣體（如氮氣或氬氣）吹掃反應(yīng)室，清除未吸附的TMA和副產(chǎn)物。接著引入去離子水，去離子水與已吸附的TMA分子發(fā)生化學反應(yīng)，生成Al?O?薄膜層，并釋放出氣相副產(chǎn)物。通過不斷重復這一循環(huán)過程，Al?O?膜便以原子層為單位逐漸生長，最終達到所需的厚度。Al?O?膜在微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料中具有多種重要作用。它具有良好的抗反射性能。Al?O?的折射率介于空氣和硅之間，在微結(jié)構(gòu)表面生長一層合適厚度的Al?O?膜，可以有效地減少光在硅表面的反射，增加光的透射和吸收。根據(jù)光學薄膜理論，當Al?O?膜的厚度滿足一定條件時，如滿足四分之一波長的整數(shù)倍，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定波長光的最佳抗反射效果。在近紅外波段，通過精確控制Al?O?膜的厚度，可以減少光在硅表面的反射損失，提高光的利用率，進而提升硅基材料在近紅外波段的光響應(yīng)度。Al?O?膜還具有鈍化作用。微結(jié)構(gòu)硅表面由于存在大量的懸掛鍵和缺陷，這些缺陷會成為載流子的復合中心，降低材料的電學性能。Al?O?膜可以覆蓋在微結(jié)構(gòu)表面，填充表面的缺陷，減少懸掛鍵的數(shù)量，從而降低載流子的復合幾率，提高載流子的壽命和遷移率。這對于提高硅基近紅外材料的光電轉(zhuǎn)換效率和光響應(yīng)度具有重要意義。Al?O?膜還具有良好的化學穩(wěn)定性和絕緣性能，能夠保護微結(jié)構(gòu)硅表面免受外界環(huán)境的侵蝕，提高材料的可靠性和穩(wěn)定性。3.2.3工藝對材料性能的影響蘇州大學電子信息學院的科研團隊進行了一系列實驗，深入研究了等離子體光刻與原子層沉積工藝對硅基近紅外光電探測器性能的影響。他們對比測量了器件的表面反射率和I-V特性曲線，并計算了器件在808nm近紅外光下的光響應(yīng)度。實驗結(jié)果表明，通過等離子體光刻在硅基光電探測器表面制備規(guī)則有序的微結(jié)構(gòu)陣列后，器件的表面反射率明顯降低。這是因為微結(jié)構(gòu)陣列的存在增加了光的散射和吸收，減少了光的鏡面反射。在未制備微結(jié)構(gòu)陣列時，硅基光電探測器表面較為光滑，光的反射率較高；而制備微結(jié)構(gòu)陣列后，光在微柱之間發(fā)生多次散射和反射，使得光在材料內(nèi)部的傳播路徑增加，更多的光被吸收，從而降低了表面反射率。通過原子層沉積在微結(jié)構(gòu)表面生長一層約5nm厚的Al?O?膜后，器件的抗反射性能進一步提升，表面反射率進一步降低。這是由于Al?O?膜的折射率介于空氣和硅之間，形成了良好的抗反射層，減少了光在硅表面的反射損失。從I-V特性曲線來看，經(jīng)過等離子體光刻和原子層沉積工藝處理后的器件，其暗電流明顯降低。這主要是因為Al?O?膜的鈍化作用減少了微結(jié)構(gòu)硅表面的缺陷和懸掛鍵，降低了載流子的復合中心，從而降低了暗電流。暗電流的降低對于提高光電探測器的信噪比和探測靈敏度具有重要意義。在808nm近紅外光下，器件的光響應(yīng)度得到了顯著提高。通過計算發(fā)現(xiàn)，器件的響應(yīng)度由最初的0.063A/W提高到0.83A/W。這是多種因素共同作用的結(jié)果。微結(jié)構(gòu)陣列增加了光與硅材料的相互作用面積和路徑，提高了光的吸收效率；Al?O?膜的抗反射作用減少了光的反射損失，增加了光的透射和吸收；Al?O?膜的鈍化作用提高了載流子的壽命和遷移率，使得光生載流子能夠更有效地被收集。這些因素的協(xié)同作用，使得硅基近紅外光電探測器的性能得到了大幅提升，為其在近紅外光探測領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的前景。3.3納米金屬粒子梯度摻雜工藝3.3.1梯度摻雜結(jié)構(gòu)設(shè)計原理納米金屬粒子梯度摻雜硅基結(jié)構(gòu)的設(shè)計基于對光吸收和材料電學特性的深入理解，其核心思路是通過構(gòu)建摻雜濃度的梯度變化，實現(xiàn)對近紅外光吸收的有效增強。在傳統(tǒng)的均勻摻雜硅基材料中，光吸收主要依賴于硅材料本身的能帶結(jié)構(gòu)以及均勻分布的雜質(zhì)能級，這種吸收方式在近紅外波段存在一定的局限性，難以充分滿足高性能光電器件的需求。而梯度摻雜結(jié)構(gòu)則打破了這種均勻性，引入了納米金屬粒子摻雜濃度的梯度變化。當納米金屬粒子在硅基材料中發(fā)生局域表面等離子共振時，會產(chǎn)生顯著的近場增強效應(yīng)。這種效應(yīng)能夠在金屬粒子周圍形成高度增強的電磁場，從而增強硅基材料對近紅外光的吸收。在梯度摻雜結(jié)構(gòu)中，從硅基材料的表面到內(nèi)部，納米金屬粒子的摻雜濃度逐漸變化。例如，一種設(shè)計方案是從硅基材料的頂層開始，納米金屬粒子的摻雜濃度以一定的梯度逐漸增加；另一種方案則是從頂層開始，摻雜濃度逐漸降低。這種梯度變化會導致材料的介電常數(shù)和光學性質(zhì)呈現(xiàn)出梯度變化，進而影響光在材料內(nèi)部的傳播和吸收過程。從光吸收的角度來看，摻雜濃度梯度變化對光吸收的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面。當光入射到梯度摻雜的硅基材料表面時，在摻雜濃度較低的區(qū)域，光與材料的相互作用相對較弱，但由于表面區(qū)域的光學性質(zhì)與空氣或其他介質(zhì)的匹配度較好，光能夠較為順利地進入材料內(nèi)部。隨著光向材料內(nèi)部傳播，進入摻雜濃度逐漸增加的區(qū)域，納米金屬粒子的濃度逐漸增大，局域表面等離子共振效應(yīng)逐漸增強，近場增強效應(yīng)使得光在材料內(nèi)部的電磁場得到增強，光與材料的相互作用增強，光吸收效率顯著提高。這種梯度變化的摻雜方式能夠有效地引導光在材料內(nèi)部的傳播路徑，增加光與材料的相互作用時間和面積，從而實現(xiàn)對近紅外光的高效吸收。從電學特性方面考慮，梯度摻雜結(jié)構(gòu)中的納米金屬粒子不僅影響光吸收，還會對硅基材料的電學性能產(chǎn)生影響。納米金屬粒子可以作為載流子的散射中心或陷阱，改變硅基材料中載流子的濃度和遷移率。在摻雜濃度較低的區(qū)域，載流子的散射相對較少，遷移率較高；而在摻雜濃度較高的區(qū)域，載流子與納米金屬粒子的相互作用增強，散射增加，遷移率可能會降低。這種電學性能的梯度變化與光吸收的梯度變化相互配合，進一步優(yōu)化了硅基材料在近紅外波段的光電轉(zhuǎn)換效率。例如，在光生載流子的產(chǎn)生和傳輸過程中，光吸收增強區(qū)域產(chǎn)生的大量光生載流子可以通過電學性能較好的區(qū)域快速傳輸，減少載流子的復合，提高光電轉(zhuǎn)換效率。3.3.2等效介質(zhì)理論與模擬計算在研究納米金屬粒子梯度摻雜硅基材料的過程中，等效介質(zhì)理論為計算摻雜層介電常數(shù)提供了重要的方法。當電介質(zhì)中的摻雜物大小遠小于入射波的波長時，該復合材料就可以從宏觀的角度分析其電磁特性，此時可以用準靜態(tài)來近似。當電介質(zhì)中摻雜物的含量較低，微粒間的相互作用和更高的多級作用可以忽略，通常采用Maxwell-Garnett理論（簡稱M-G）來計算復合介質(zhì)的等效電磁參數(shù)。以Si摻雜Ag復合介質(zhì)為例，首先需要獲取銀的折射率實驗數(shù)據(jù)，并通過擬合得到其折射率曲線。根據(jù)折射率與介電常數(shù)的關(guān)系，可以得到銀的介電常數(shù)。然后，利用M-G理論，將硅和銀的介電常數(shù)代入相關(guān)公式，計算不同摻雜濃度下Si摻雜Ag復合介質(zhì)在可見光和近紅外波段的等效介電常數(shù)。假設(shè)硅的介電常數(shù)為εSi，銀的介電常數(shù)為εAg，摻雜濃度為f，根據(jù)M-G理論，復合介質(zhì)的等效介電常數(shù)εeff滿足以下公式：\frac{\varepsilon_{eff}-\varepsilon_{Si}}{\varepsilon_{eff}+2\varepsilon_{Si}}=f\frac{\varepsilon_{Ag}-\varepsilon_{Si}}{\varepsilon_{Ag}+2\varepsilon_{Si}}通過該公式，可以計算出不同摻雜濃度下的等效介電常數(shù)。從計算結(jié)果可以看出，摻雜濃度的變化會顯著影響復合介質(zhì)的等效介電常數(shù)。當摻雜濃度較低時，復合介質(zhì)的等效介電常數(shù)接近硅的介電常數(shù)；隨著摻雜濃度的增加，等效介電常數(shù)逐漸偏離硅的介電常數(shù)，在特定波長處出現(xiàn)明顯的變化。在得到等效介電常數(shù)后，通過模擬計算分析吸收率是深入了解材料光學性能的關(guān)鍵步驟。使用時域有限差分法（FDTD）來模擬計算復合介質(zhì)在可見光和近紅外波段的吸收。在仿真設(shè)置中，為了減少仿真時間，通常將仿真區(qū)域設(shè)置為2D。上下的邊界設(shè)置為PML（完美匹配層）邊界，以吸收傳播到邊界的電磁波，避免反射對仿真結(jié)果的影響；左右邊界設(shè)置為Periodic邊界，模擬材料在橫向的周期性結(jié)構(gòu)。為了避免產(chǎn)生摻雜層厚度導致的法布里-珀羅諧振，將最后一層摻雜層延伸到仿真區(qū)域底部的邊界以外。另外設(shè)置三個平行平面，從上到下分別代表反射監(jiān)視器、光源、透射監(jiān)視器。其中光源選擇垂直入射的平面波，其波長覆蓋可見光和近紅外波段。在模擬過程中，將計算得到的不同摻雜濃度下的等效介電常數(shù)輸入到FDTD仿真模型中，模擬光在復合介質(zhì)中的傳播過程。通過反射監(jiān)視器和透射監(jiān)視器，可以獲取不同波長下的反射率和透射率數(shù)據(jù)。根據(jù)吸收率的計算公式A=1?R?T（其中A為吸收率，R為反射率，T為透射率），可以計算出復合介質(zhì)在不同波長下的吸收率。從模擬計算結(jié)果可以清晰地看到，納米金屬粒子的摻雜對復合介質(zhì)的吸收率產(chǎn)生了顯著影響。在特定波長范圍內(nèi)，隨著摻雜濃度的變化，吸收率呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。在近紅外波段，適當?shù)膿诫s濃度可以使吸收率顯著提高，驗證了納米金屬粒子梯度摻雜對硅基材料近紅外吸收增強的理論預期。3.3.3摻雜工藝的實驗驗證與結(jié)果南京航空航天大學與安徽北方微電子研究院的科研團隊進行了一系列實驗，對納米金屬粒子梯度摻雜工藝進行了驗證，并取得了顯著成果。他們設(shè)計了一種總厚度為1000nm的復合硅層，其中硅層被等分為20層，每層納米金屬粒子的摻雜濃度從0.25%開始以0.25%為梯度均勻增加直到5%，或從5%開始以0.25%為梯度均勻減少直到0.25%。選擇銀和金兩種納米金屬粒子進行摻雜。通過實驗測量，他們得到了不同摻雜方式下復合介質(zhì)的反射率、透射率和吸收率曲線。以納米銀粒子摻雜為例，當采用納米銀粒子摻雜濃度遞減的方式時，反射率產(chǎn)生很大的波動，在710nm處存在一個極小值0.05，在760nm處存在極大值0.9。而遞增摻雜對反射率的影響很小，僅在755nm附近產(chǎn)生微小的波動。從吸收率曲線來看，在近紅外波段，納米金屬粒子梯度摻雜的復合介質(zhì)的吸收率明顯高于未摻雜的硅基材料。通過對比不同摻雜方式下的吸收率提升效果，發(fā)現(xiàn)梯度緩慢變化的摻雜方式能夠有效避免納米粒子摻雜濃度過大引起折射率的突變，從而實現(xiàn)對近紅外光吸收的有效增強。在納米金屬粒子的選擇方面，實驗結(jié)果表明，金和銀作為常見的摻雜粒子，在可見光和近紅外波段都能帶來優(yōu)異的性能。銀粒子在某些波長處能夠產(chǎn)生較強的表面等離子體共振效應(yīng)，從而增強光吸收；金粒子則由于其良好的化學穩(wěn)定性和光學性質(zhì)，也能在一定程度上提高材料的近紅外吸收性能。具體來說，在760nm附近的波段范圍，摻雜物對于復合介質(zhì)電磁性能的影響主要發(fā)生在這個波段。摻雜對于復折射率實部的影響是，會在750nm附近出現(xiàn)值劇烈的折射率變化，產(chǎn)生一個極大和一個極小值；摻雜對于復折射率虛部的影響是，會在760nm附近產(chǎn)生一個峰值。這些實驗結(jié)果充分驗證了納米金屬粒子梯度摻雜工藝能夠有效提高硅基材料在近紅外波段的吸收率，為硅基半導體探測器在近紅外波段的應(yīng)用提供了重要的實驗依據(jù)和技術(shù)支持。該研究成果不僅在理論上深化了對納米金屬粒子梯度摻雜硅基材料光學性能的認識，也為實際的光電器件設(shè)計和制備提供了可行的方案，具有重要的科學意義和應(yīng)用價值。四、微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光電特性4.1光學特性4.1.1光吸收特性微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光吸收機理較為復雜，涉及雜質(zhì)能級吸收和光捕獲效應(yīng)等多個關(guān)鍵因素，這些因素相互作用，共同決定了材料在近紅外波段的光吸收特性。雜質(zhì)能級吸收是微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料光吸收的重要機制之一。通過離子注入等技術(shù)向硅材料中引入特定雜質(zhì)原子，如硫（S）、鍺（Ge）等，這些雜質(zhì)原子會在硅的禁帶中形成雜質(zhì)能級。以硫摻雜硅材料為例，中國科學院微電子研究所的研究團隊通過離子注入將硫元素擴散至硅材料內(nèi)，實驗發(fā)現(xiàn)硅中硫元素摻雜劑形成了雜質(zhì)能帶，引起了傳統(tǒng)硅材料光學帶隙范圍以外的近紅外至中紅外光譜吸收。從量子力學的角度來看，當近紅外光照射到硫摻雜的硅材料時，光子的能量與雜質(zhì)能級和導帶之間的能量差相匹配，電子可以吸收光子的能量，從雜質(zhì)能級躍遷到導帶，從而實現(xiàn)對近紅外光的吸收。這種雜質(zhì)能級吸收機制使得硅基材料能夠突破其原本的能帶限制，對近紅外光產(chǎn)生吸收響應(yīng)。光捕獲效應(yīng)也是影響微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料光吸收的關(guān)鍵因素。微結(jié)構(gòu)硅基材料中的納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米孔等，能夠通過光的散射和多次反射，增加光在材料內(nèi)部的傳播路徑，從而提高光吸收效率。以硅納米線陣列為例，其高長徑比的一維結(jié)構(gòu)具有獨特的光學散射特性。當近紅外光入射到硅納米線陣列時，由于納米線的直徑通常在幾十到幾百納米之間，遠小于近紅外光的波長，光在納米線表面會發(fā)生強烈的散射。這種散射作用使得光不再沿直線傳播，而是在納米線之間不斷地反射和折射，大大增加了光在材料內(nèi)部的傳播路徑。研究表明，在理想的硅納米線陣列中，光的傳播路徑可以延長數(shù)倍甚至數(shù)十倍，這意味著光與硅材料的相互作用時間顯著增加，光被吸收的概率也隨之大幅提高。硅納米孔結(jié)構(gòu)也能通過光的散射和干涉效應(yīng)，將近紅外光有效地捕獲在材料內(nèi)部。當近紅外光入射到含有納米孔的硅基材料時，納米孔的邊緣會對光產(chǎn)生散射作用，這些散射光之間會發(fā)生干涉，形成復雜的光場分布，使得光在材料內(nèi)部被多次反射和吸收，實現(xiàn)了對近紅外光的高效捕獲。不同因素對微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光吸收有著顯著影響。摻雜元素和濃度是重要的影響因素之一。不同的摻雜元素會在硅材料中形成不同的雜質(zhì)能級，從而影響材料對近紅外光的吸收特性。硫摻雜形成的雜質(zhì)能級與鍺摻雜形成的雜質(zhì)能級在能量位置和分布上存在差異，導致材料對近紅外光的吸收峰位置和強度也不同。摻雜濃度的變化會改變雜質(zhì)能級的密度，進而影響光吸收的強度。在一定范圍內(nèi)，隨著摻雜濃度的增加，雜質(zhì)能級的密度增大，光吸收強度也會相應(yīng)增強。當摻雜濃度過高時，可能會導致雜質(zhì)能級之間的相互作用增強，出現(xiàn)雜質(zhì)能帶展寬等現(xiàn)象，反而會影響光吸收效率。微結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和密度也會對光吸收產(chǎn)生重要影響。以硅納米線為例，納米線的直徑和長度會影響光的散射和吸收特性。較細的納米線能夠增強光的散射效果，進一步增加光在材料內(nèi)部的傳播路徑，從而提高光吸收效率；而較長的納米線則可以提供更長的光傳播距離，有利于光的吸收。納米線的形狀也會對光吸收產(chǎn)生影響，如錐形納米線與圓柱形納米線相比，其獨特的形狀可以改變光的散射角度和分布，從而影響光吸收性能。納米線的密度也很關(guān)鍵，合適的密度可以保證光在納米線之間充分散射和吸收，而過高或過低的密度都可能導致光吸收效率下降。過高的密度可能會使納米線之間的相互遮擋增加，減少光與納米線的有效作用面積；過低的密度則可能無法充分發(fā)揮光捕獲效應(yīng)。4.1.2光反射與透射特性微結(jié)構(gòu)和摻雜對硅基材料的光反射和透射特性有著顯著的影響，這種影響在近紅外波段表現(xiàn)得尤為突出。從微結(jié)構(gòu)的角度來看，以蘇州大學電子信息學院的研究為參考，在硅基光電探測器表面制備規(guī)則有序的微結(jié)構(gòu)陣列，如直徑4μm，周期為8μm，深度為8μm的微柱陣列，會對光的反射和透射產(chǎn)生重要作用。當近紅外光入射到具有微結(jié)構(gòu)陣列的硅基材料表面時，微結(jié)構(gòu)的存在增加了光與硅材料的相互作用面積和路徑。光在微柱之間會發(fā)生多次散射和反射，這種散射和反射改變了光的傳播方向和強度分布。從反射特性來看，由于光在微結(jié)構(gòu)表面的多次散射和反射，使得反射光的方向變得更加復雜，不再是簡單的鏡面反射。這導致反射光的能量分布更加分散，反射率降低。在某些情況下，通過合理設(shè)計微結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和周期，可以使反射光在特定方向上相互干涉相消，進一步降低反射率。從透射特性來看，微結(jié)構(gòu)的存在增加了光在材料內(nèi)部的傳播距離，使得光在傳播過程中更容易被吸收。根據(jù)光的吸收定律，光在材料中傳播時，其強度會隨著傳播距離的增加而呈指數(shù)衰減。微結(jié)構(gòu)硅基材料中光傳播距離的增加，導致光在材料內(nèi)部的吸收增強，從而透射光的強度降低。當微結(jié)構(gòu)的尺寸和周期與近紅外光的波長具有一定的匹配關(guān)系時，會產(chǎn)生光的局域共振效應(yīng)，進一步增強光的吸收，降低透射率。摻雜對硅基材料的光反射和透射特性也有重要影響。當向硅材料中引入雜質(zhì)原子時，會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和光學常數(shù)，從而影響光的反射和透射。以納米金屬粒子梯度摻雜的硅基材料為例，南京航空航天大學與安徽北方微電子研究院的研究表明，不同的摻雜方式和濃度會導致材料的等效介電常數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)麥克斯韋方程組，材料的介電常數(shù)與光的反射和透射密切相關(guān)。當納米金屬粒子的摻雜濃度發(fā)生變化時，材料的等效介電常數(shù)也會相應(yīng)改變，進而影響光在材料中的傳播特性。在納米銀粒子摻雜濃度遞減的情況下，復合介質(zhì)的反射率產(chǎn)生很大的波動，在710nm處存在一個極小值0.05，在760nm處存在極大值0.9。這是因為摻雜濃度的變化導致材料的光學常數(shù)發(fā)生改變，使得光在材料表面的反射和折射情況發(fā)生變化。摻雜還可能會引入雜質(zhì)能級，這些雜質(zhì)能級會參與光的吸收過程，進一步影響光的透射和反射。當雜質(zhì)能級與近紅外光的能量匹配時，會發(fā)生光的吸收躍遷，導致透射光強度降低，反射光強度也可能受到影響。4.1.3表面等離子體共振效應(yīng)表面等離子體共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）在微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料中具有獨特的產(chǎn)生機制，對材料的光學特性產(chǎn)生重要影響，并展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其產(chǎn)生機制基于金屬與半導體的相互作用。當在微結(jié)構(gòu)硅基材料中引入金屬納米粒子，如金（Au）、銀（Ag）等，這些金屬納米粒子在近紅外光的照射下會發(fā)生表面等離子體共振。金屬中的自由電子在光的電磁場作用下會產(chǎn)生集體振蕩，形成表面等離子體波。這種振蕩是由于光的電場與金屬表面自由電子的相互作用引起的。當光的頻率與表面等離子體波的共振頻率相匹配時，會發(fā)生強烈的共振現(xiàn)象。共振頻率與金屬納米粒子的尺寸、形狀、材料以及周圍介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。對于球形金屬納米粒子，其共振頻率可以通過Mie理論進行計算。根據(jù)Mie理論，共振頻率與金屬納米粒子的半徑、介電常數(shù)以及周圍介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。當金屬納米粒子的半徑減小或周圍介質(zhì)的介電常數(shù)增大時，共振頻率會發(fā)生紅移。在微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料中，金屬納米粒子與硅基材料相互作用，硅基材料作為周圍介質(zhì)，其介電常數(shù)會影響金屬納米粒子的表面等離子體共振特性。表面等離子體共振對微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光學特性有著多方面的影響。它能夠增強材料對近紅外光的吸收。在表面等離子體共振狀態(tài)下，金屬納米粒子周圍會形成高度增強的電磁場，這種近場增強效應(yīng)能夠?qū)⒐獾哪芰坑行У伛詈系焦杌牧现?，從而增強材料對近紅外光的吸收。中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合東南大學的研究團隊提出的Au納米顆粒修飾Si金字塔結(jié)構(gòu)，實驗證明該結(jié)構(gòu)增強了入射光子與Au納米顆粒之間的耦合效應(yīng)，減少了背反射光，使得光子在Au納米顆粒內(nèi)部多次反射，增加了入射光走的距離，同時Au納米粒子的引入還增強了器件的局部電磁場，從而顯著提高了光電轉(zhuǎn)換量子效率。表面等離子體共振還可以改變材料的發(fā)光特性。通過調(diào)節(jié)金屬納米粒子的尺寸、形狀和分布等參數(shù)，可以實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)硅基材料近紅外發(fā)光的調(diào)控。當金屬納米粒子與硅基材料中的發(fā)光中心相互作用時，表面等離子體共振產(chǎn)生的增強電磁場可以影響發(fā)光中心的激發(fā)和輻射過程，從而改變發(fā)光的強度、波長和壽命等特性。在應(yīng)用潛力方面，表面等離子體共振在微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料中具有廣闊的應(yīng)用前景。在光通信領(lǐng)域，基于表面等離子體共振的微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料可以用于制備高性能的光探測器和發(fā)光二極管。利用表面等離子體共振增強光吸收和發(fā)射的特性，可以提高光探測器的靈敏度和發(fā)光二極管的發(fā)光效率，從而提升光通信系統(tǒng)的性能。在生物醫(yī)學檢測領(lǐng)域，表面等離子體共振可以用于生物分子的檢測和分析。將生物分子修飾在金屬納米粒子表面，當生物分子與目標分子發(fā)生特異性結(jié)合時，會導致金屬納米粒子周圍的介電環(huán)境發(fā)生變化，從而引起表面等離子體共振特性的改變。通過檢測這種變化，可以實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測。在安防監(jiān)控領(lǐng)域，基于表面等離子體共振的微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料可以用于制備高性能的紅外成像器件。利用表面等離子體共振增強紅外光吸收和成像的特性，可以提高紅外成像器件的分辨率和靈敏度，實現(xiàn)對目標物體的更清晰監(jiān)測。4.2電學特性4.2.1載流子濃度與遷移率在微結(jié)構(gòu)硅基材料中，載流子濃度和遷移率是衡量其電學性能的關(guān)鍵參數(shù)，它們受到多種因素的綜合影響，其中離子注入劑量和微結(jié)構(gòu)形態(tài)起著至關(guān)重要的作用。霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)是測量微結(jié)構(gòu)硅基材料載流子濃度和遷移率的常用手段，其原理基于霍爾效應(yīng)。當一塊通有電流I的半導體薄片置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中時，在垂直于電流和磁場的薄片兩端會產(chǎn)生一個正比于電流和磁感應(yīng)強度的電勢U，這就是霍爾效應(yīng)。通過測量霍爾電壓UH，可以計算出霍爾系數(shù)RH，公式為：R_H=\frac{U_Hd}{IB}其中，d為半導體薄片的厚度。而載流子濃度n與霍爾系數(shù)的關(guān)系為：n=\frac{1}{eR_H}其中，e為電子電荷量。通過上述公式，利用霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)測量出霍爾電壓、電流、磁感應(yīng)強度和樣品厚度等參數(shù)，就可以計算出載流子濃度。載流子遷移率μ則可以通過霍爾系數(shù)和電導率σ來計算，公式為：\mu=\midR_H\mid\sigma電導率σ可以通過四探針法等方式測量得到。離子注入劑量對載流子濃度和遷移率有著顯著影響。以中國科學院微電子研究所對硫離子注入硅材料的研究為例，在室溫下，將300μm厚度、7.8-11.2Ω?cm電阻率的單面拋光P型（100）面單晶硅進行離子注入，注入劑量分別為1×101?、1×101?和1×101?離子/cm2。隨著離子注入劑量的增加，引入的硫雜質(zhì)增多，這些雜質(zhì)原子在硅材料中形成雜質(zhì)能級，提供了更多的載流子，從而使載流子濃度顯著增加。當注入劑量從1×101?離子/cm2增加到1×101?離子/cm2時，載流子濃度明顯上升。注入劑量的增加也會對載流子遷移率產(chǎn)生影響。過多的雜質(zhì)原子會增加載流子的散射中心，使得載流子在運動過程中與雜質(zhì)原子的碰撞幾率增大，從而導致載流子遷移率下降。在較高注入劑量下，如1×101?離子/cm2時，載流子遷移率會有較為明顯的降低。微結(jié)構(gòu)形態(tài)同樣對載流子濃度和遷移率有著重要影響。以硅納米線結(jié)構(gòu)為例，其高長徑比的一維結(jié)構(gòu)為載流子提供了特定的傳輸通道。由于納米線的直徑通常在幾十到幾百納米之間，載流子在納米線中傳輸時，受到的散射相對較少，這使得載流子遷移率能夠得到一定程度的提高。納米線的表面狀態(tài)也會影響載流子濃度和遷移率。如果納米線表面存在較多的缺陷和懸掛鍵，這些缺陷會成為載流子的復合中心，導致載流子濃度降低，同時也會增加載流子的散射，降低遷移率。而對于硅納米孔結(jié)構(gòu)，納米孔的存在會改變硅材料的有效截面積，從而影響載流子的傳輸。當納米孔的尺寸和分布適當時，能夠增加載流子的散射，降低載流子遷移率；但當納米孔的分布過于密集時，可能會導致載流子的傳輸路徑受阻，影響載流子濃度和遷移率。4.2.2量子限制效應(yīng)量子限制效應(yīng)在微結(jié)構(gòu)硅基材料中有著獨特的表現(xiàn)，對載流子行為和能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生深刻影響，進而改變材料的電學性能。在微結(jié)構(gòu)硅基材料中，如硅量子點等準零維結(jié)構(gòu)，由于其尺寸在幾個到幾十個納米之間，電子在三個維度上都受到限制，呈現(xiàn)出顯著的量子限制效應(yīng)。從載流子行為角度來看，這種效應(yīng)使得載流子的運動狀態(tài)發(fā)生了明顯變化。在傳統(tǒng)的塊體硅材料中，載流子的運動相對較為自由，其能量狀態(tài)可以連續(xù)變化。而在硅量子點中，由于尺寸的限制，載流子被束縛在極小的空間范圍內(nèi)，其能量狀態(tài)不再連續(xù)，而是呈現(xiàn)出離散的能級結(jié)構(gòu)。根據(jù)量子力學理論，電子的波函數(shù)在量子點內(nèi)被限制，形成駐波，其能量只能取特定的離散值，這些離散能級之間的能量間隔與量子點的尺寸密切相關(guān)。當量子點的尺寸減小時，能級間隔會增大。這種離散的能級結(jié)構(gòu)對載流子的輸運和復合過程產(chǎn)生了重要影響。在輸運過程中，載流子需要克服能級之間的能量差才能實現(xiàn)躍遷，這使得載流子的輸運過程變得更加復雜。在復合過程中，載流子只能在特定的能級之間發(fā)生復合，從而改變了復合的幾率和方式。從能帶結(jié)構(gòu)角度來看，量子限制效應(yīng)導致微結(jié)構(gòu)硅基材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。在塊體硅材料中，導帶和價帶之間存在連續(xù)的能量區(qū)域，即禁帶。而在具有量子限制效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)硅基材料中，由于載流子的能量量子化，導帶和價帶中的能級發(fā)生分裂，形成一系列離散的子帶。這些子帶之間的能量間隔同樣與微結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān)。以硅量子點為例，隨著量子點尺寸的減小，導帶和價帶的子帶間隔增大，材料的有效禁帶寬度增加。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化對材料的電學性能有著重要影響。由于有效禁帶寬度的增加，材料的導電性會發(fā)生改變，載流子的產(chǎn)生和復合過程也會受到影響。在光激發(fā)下，電子從價帶子帶躍遷到導帶子帶的過程中，需要吸收特定能量的光子，這使得材料對光的吸收和發(fā)射特性發(fā)生變化，進而影響材料在光電器件中的應(yīng)用。4.2.3表面態(tài)與界面態(tài)對電學性能的影響微結(jié)構(gòu)硅基材料的表面態(tài)和界面態(tài)對其電學性能有著至關(guān)重要的影響，深入了解這些影響以及相應(yīng)的鈍化策略對于優(yōu)化材料性能具有重要意義。表面態(tài)和界面態(tài)的形成源于微結(jié)構(gòu)硅基材料在制備和加工過程中的多種因素。在材料表面，由于原子的周期性排列突然中斷，會產(chǎn)生大量的懸掛鍵。這些懸掛鍵具有未配對的電子，形成表面態(tài)。微結(jié)構(gòu)硅基材料在制備過程中，可能會引入雜質(zhì)原子，這些雜質(zhì)原子在表面或界面處聚集，也會形成表面態(tài)和界面態(tài)。當硅材料與其他材料形成異質(zhì)結(jié)時，由于兩種材料的晶格常數(shù)、電子親和能等性質(zhì)的差異，在界面處會產(chǎn)生晶格失配和電荷分布不均勻，從而形成界面態(tài)。表面態(tài)和界面態(tài)對微結(jié)構(gòu)硅基材料的電荷輸運和積累產(chǎn)生顯著影響。表面態(tài)和界面態(tài)中的懸掛鍵和雜質(zhì)能級可以作為載流子的陷阱或散射中心。當載流子在材料中傳輸時，遇到表面態(tài)和界面態(tài)時，可能會被陷阱捕獲，導致載流子的傳輸受阻，遷移率降低。這些表面態(tài)和界面態(tài)還會增加載流子的散射幾率，使得載流子在傳輸過程中不斷與表面態(tài)和界面態(tài)相互作用，進一步降低了載流子的遷移率。在電荷積累方面，表面態(tài)和界面態(tài)可以吸附電荷，形成表面電荷層。這些表面電荷層會改變材料表面的電場分布，進而影響載流子在材料內(nèi)部的分布和輸運。當表面態(tài)吸附正電荷時，會在材料表面形成一個耗盡層，使得載流子在表面附近的濃度降低，影響材料的電學性能。為了減少表面態(tài)和界面態(tài)對微結(jié)構(gòu)硅基材料電學性能的負面影響，通常采用鈍化策略。一種常見的鈍化方法是在微結(jié)構(gòu)硅基材料表面生長一層鈍化膜。如在硅基材料表面生長Al?O?膜，Al?O?膜可以覆蓋在微結(jié)構(gòu)表面，填充表面的缺陷，減少懸掛鍵的數(shù)量。Al?O?膜還具有良好的絕緣性能，能夠阻止雜質(zhì)原子的擴散，從而有效地降低表面態(tài)和界面態(tài)的密度。通過原子層沉積技術(shù)在微結(jié)構(gòu)硅表面生長約5nm厚的Al?O?膜后，器件的暗電流明顯降低，這表明Al?O?膜的鈍化作用減少了表面態(tài)和界面態(tài)對載流子的捕獲和散射，提高了載流子的傳輸效率。還可以采用氫鈍化的方法。氫原子可以與表面的懸掛鍵結(jié)合，形成穩(wěn)定的Si-H鍵，從而消除表面態(tài)。在硅材料表面進行氫等離子體處理，能夠使氫原子擴散到表面，與懸掛鍵反應(yīng)，降低表面態(tài)的密度，改善材料的電學性能。五、影響微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料光電特性的因素5.1微結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響5.1.1微結(jié)構(gòu)尺寸與形狀微結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀是影響微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料光電特性的關(guān)鍵因素，它們通過對光與物質(zhì)相互作用的精細調(diào)控，顯著改變材料的光吸收、散射及電學性能。從微結(jié)構(gòu)尺寸來看，以硅納米線為例，其直徑和長度對光吸收和散射有著重要影響。當硅納米線的直徑發(fā)生變化時，光在納米線表面的散射特性會相應(yīng)改變。較細的納米線，由于其直徑更接近近紅外光的波長，光在其表面會發(fā)生更強烈的散射，這種散射使得光在納米線之間的傳播路徑更加復雜，增加了光與硅材料的相互作用時間和面積，從而提高了光吸收效率。研究表明，當硅納米線的直徑從100nm減小到50nm時，其對近紅外光的吸收效率可提高20%-30%。納米線的長度也會影響光吸收。較長的納米線為光提供了更長的傳播距離，使得光在傳播過程中有更多機會被吸收。當納米線長度從1μm增加到5μm時，光在納米線內(nèi)部的傳播路徑增加，光吸收效率也隨之提高。但當納米線長度過長時，可能會導致載流子傳輸距離過長，增加載流子的復合幾率，從而影響電學性能。微結(jié)構(gòu)的形狀同樣對光電特性有著顯著影響。以納米柱和納米錐結(jié)構(gòu)為例，它們的光學散射特性存在明顯差異。納米柱結(jié)構(gòu)的側(cè)面相對垂直，光在其表面的散射方向較為集中，主要集中在幾個特定的角度。而納米錐結(jié)構(gòu)由于其逐漸變細的形狀，光在其表面的散射更加復雜，散射方向更加分散。這種散射特性的差異導致它們對光吸收的影響不同。納米錐結(jié)構(gòu)由于其更復雜的散射特性，能夠使光在材料內(nèi)部更加均勻地分布，增加了光與材料的相互作用，從而在某些情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光吸收效率。在電學性能方面，納米柱和納米錐結(jié)構(gòu)對載流子的傳輸也有不同影響。納米柱結(jié)構(gòu)由于其規(guī)則的形狀，載流子在其中的傳輸相對較為穩(wěn)定，有利于提高載流子遷移率。而納米錐結(jié)構(gòu)由于其形狀的變化，載流子在傳輸過程中可能會受到更多的散射，導致載流子遷移率下降。但在一些特定的應(yīng)用場景中，納米錐結(jié)構(gòu)的獨特電學特性也可能帶來優(yōu)勢，如在某些光電器件中，其特殊的電場分布可以促進光生載流子的分離，提高光電轉(zhuǎn)換效率。5.1.2微結(jié)構(gòu)的周期性與有序性微結(jié)構(gòu)的周期性與有序性對微結(jié)構(gòu)硅基近紅外材料的光電特性有著深刻影響，這種影響在光的傳播和散射以及載流子的輸運等方面都有明顯體現(xiàn)，對比有序和無序微結(jié)構(gòu)的差異有助于深入理解其作用機制。從光的傳播和散射角度來看，以蘇州大學電子信息學院在硅基光電探測器表面制備的規(guī)則有序微結(jié)構(gòu)陣列為參考，當微結(jié)構(gòu)呈周期性有序排列時，會產(chǎn)生獨特的光學效應(yīng)。在周期性有序的微結(jié)構(gòu)陣列中，光的傳播滿足一定的布拉格條件。根據(jù)布拉格定律，當光的波長與微結(jié)構(gòu)的周期滿足特定關(guān)系時，會發(fā)生光的相干散射。在這種情況下，散射光之間會發(fā)生干涉，形成特定的光場分布。當散射光相互干涉相長時，會增強光在某些方向上的傳播，提高光的收集效率；當散射光相互干涉相消時，會減少光在某些方向上的傳播，從而改變光的傳播路徑，增加光在材料內(nèi)部的傳播距離，提高光吸收效率。在近紅外波段，通過精確設(shè)計微結(jié)構(gòu)的周期和尺寸，使其與近紅外光的波長相匹配，可以實現(xiàn)對近紅外光的高效散射和吸收。無序微結(jié)構(gòu)的光學特性則與有序微結(jié)構(gòu)有所不同。無序微結(jié)構(gòu)中，微結(jié)構(gòu)的排列沒有明顯的周期性，光在其中的散射更加隨機。由于缺乏周期性的限制，光在無序微結(jié)構(gòu)中的散射方向更加復雜，散射光之間難以形成穩(wěn)定的干涉效應(yīng)。這種隨機散射會導致光在材料內(nèi)部的傳播路徑更加曲折，增加了光與材料的相互作用時間和面積，在一定程度上也能夠提高光吸收效率。但與有序微結(jié)構(gòu)相比，無序微結(jié)構(gòu)對光的散射和吸收缺乏精確的調(diào)控能力，光的散射和吸收效率可能存在較大的波動。在載流子輸運方面，有序微結(jié)構(gòu)為載流子提供了相對規(guī)則的傳輸通道。在周期性有序的微結(jié)構(gòu)中，載流子的散射相對較少，遷移率較高。這是因為載流子在有序結(jié)構(gòu)中能夠沿著相對穩(wěn)定的路徑傳輸，減少了與微結(jié)構(gòu)邊界和缺陷的碰撞。在有序的硅納米線陣列中，載流子可以沿著納米線的軸向高效傳輸，有利于提高材料的電學性能。而無序微結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，載流子在其中傳輸時會受到更多的散射，遷移率較低。無序微結(jié)構(gòu)中的缺陷和邊界較多，載流子在傳輸過程中容易與這些區(qū)域相互作用，導致散射增加，