硫族元素超饱和掺杂硅缺陷演化对光电性能的调控机理研究

The material of chalcogen-hyperdoped silicon has become a new research focus recently because of its efficient broad-spectrum absorptance, which has potential practical applications in the field of near-infrared light electric detectors, light emitters, integrated optical communications and photovoltaic devices. Some research results show that the photoelectric properties are closely related to the microstructure such as defect in the material. However, it is not clarified that the mechanism of photoelectric properties is influenced by the microstructure of the material. Based on our previous researches, the positron annihilation technique will be employed to probe the defect information in the material prepared by the ion implantation technique with different preparation technology and dopant ions; the relationship between the microstructure and photoelectric properties will be explored combined with the results of numerical stimulation based on the primary principle. Furthermore, the mechanism of photoelectric properties modulated by the defect evolution will be revealed for the material of chalcogen-hyperdopedsilicon. The expected results will provide theoretical and experimental basis for the improvement of photoelectric properties and the performance of new photoelectronic devices, and provide examples for the physical mechanism research of this material as well.

硫族元素超饱和掺杂硅材料具有高效的广谱光吸收特性，在近红外光电探测、光发射器、集成光通信及光伏等领域具有重要的潜在应用价值，成为近年来新的研究热点。相关研究表明该类材料的光电性能与微观结构密切相关，但缺陷等微观结构演化对其光电性能的调控机理尚未明确。本项目在前期研究基础上，拟采用离子注入方法对单晶硅进行硫族元素超饱和掺杂，利用正电子湮没等技术研究制备工艺和元素掺杂对材料缺陷等微观结构的影响规律；结合第一性原理模拟计算结果，探讨体系光电性能与缺陷等微观结构的内在关联，揭示硫族元素超饱和掺杂硅的缺陷演化对光电性能的调控机理。本项目将为该体系材料光电性能的提高以及新型光电子器件的研发和应用提供基础研究资料，同时为此类材料相关物理机制的深入研究提供正电子实验例证。

硫族元素超饱和掺杂硅材料在近红外波段具有较高的光吸收特性，在近红外光电探测、光伏器件及光通信等领域具有广泛的潜在应用前景。该类材料的光电特性与微观结构密切相关，然而其缺陷等微观结构对光电性能的影响机理尚未明确。本项目采用离子注入方法对单晶硅进行了硫族元素超饱和掺杂，利用正电子湮没、Raman等实验技术进行了如下研究：（1）研究了退火方式对硫族元素超饱和掺杂硅样品微结构及光电性能的影响。发现传统热退火和脉冲激光退火虽然均可以较好地消除离子注入过程中在硅表面引入的晶格损伤，但传统热退火后样品的近红外光吸收率明显减低，而脉冲激光退火后样品的近红外光吸收率明显增强，其主要原因是由于脉冲激光退火时间在纳秒或皮秒量级，退火过程属于非平衡热传导方式，退火过程中不会导致过饱和掺入的硫族杂质从硅晶格中析出。（2）采用不同离子注入能量和剂量，结合不同退火方式制备了多个系列的硫族元素超饱和掺杂硅样品，分析了离子注入条件对样品微结构及光电性能的影响规律，并对此予以理论上的解释。（3）通过对实验结果的对比分析，揭示了硫族元素超饱和掺杂硅样品缺陷等微结构对光电性能的影响规律，并对其影响机理进行了理论探讨和物理解释。本课题的研究结果将对硫族元素超饱和掺杂硅材料缺陷等微结构对光电性能调控机理的理解提供有价值的实验资料，同时为正电子湮没技术用于该体系材料的缺陷研究研究方面提供例证，对该类材料光电性能的提高及应用具有一定的实际意义。