氮原子调控的新型超饱和掺杂硅材料的性质及其应用研究

Hyperdoping technology has raised widespread concerns for its potential and feasibility in getting semiconductor materials with remarkable optical and electrical properties. Chalcogen-hyperdoped silicon as an example exhibits the unique broad band light absorption and significant enhancement of photocurrent generation, while the issues such as thermal stability of the sub-band-gap absorption hinder their applications in the near infrared devices. Therefore, how to obtain the hyperdoped silicon which has stable near infrared absorption absent in crystal silicon and high photoelectric response becomes the focus of attention，it is also the key for the silicon based devices including solar cell and photodetector working extendedly to near infrared region. Surrounding this focus, in the present proposal, we will systematically study the basic problems range from the band structures, atomic geometries and their dynamics to the optical and electronic properties based on our recent obtained nitrogen hyperdoped silicon in NF3 by femtosecond laser ablation, by which a new kind of co-hyperdoped silicon regulated with nitrogen atoms will be investigated and prepared. The fundamental issues about the transfer dynamics of impurity related geometry and corresponding changes of electronic band structures will be given, based on which the properties of the materials could be optimized. Finally, aiming to the application of the hyperdoped silicon in near infrared detection, the prototype photoelectric device will be fabricated and its characteristics such as the responsivity will also be investigated.

超饱和掺杂作为获得具有独特光学、电学性质半导体材料的方法之一,日益受到人们的关注。如超饱和硫系元素掺杂的硅材料表现出了独特的广谱光吸收性质以及显著的光电增益效应，然而低于带隙光吸收的热稳定性等问题阻碍了其在红外器件方面的进一步应用。如何获得稳定的原晶体硅所不具备的长波近红外吸收以及高光电响应的超饱和掺杂硅材料，则是目前人们关注的焦点，它是硅基器件包括太阳能电池以及光电探测器能否真正拓展到近红外波段的关键。本研究项目将围绕这一焦点，以新近我们在三氟化氮氛围中通过激光刻蚀获得的氮超饱和掺杂硅材料为出发点，通过从原子、电子结构及动力学到光学和电学性质的一系列基本问题研究，探索合成以氮原子调控的新型混合型超饱和掺杂硅材料；解决杂质原子构型的转变动力学及其相应的能带结构的变化规律等关键科学问题，以优化材料的性质；以近红外探测器为应用目的，基于原型器件研究这类材料的光电响应等特性。

对材料的超饱和掺杂可以较大程度改变原有材料的性质，并获得原材料不具备的某些特性，日益成为获得独特功能材料的重要手段之一。在硅材料中超饱和掺入硫等特定的元素，可以显著改变其原有的能带结构，带来更出色的应用可能，例如广谱吸收的光伏电池。然后超饱和掺杂过程或者掺入原子的特性同时也会带来一些新的问题，如大量的晶格损坏和缺陷。本项目尝试对硅材料进行双元素的混合超饱和掺杂，以获得性能和稳定性的最佳平衡。基于制备过程中的NF3气体环境，同时大量掺入氮原子以修复掺杂过程带来的大量晶格缺陷，同时保留其它掺杂元素带来的独特性。研究了与制备相关的动力学和规律，并成功掺入了超饱和的氮原子，浓度可达~2.5×10^20 atoms/cm3，远高于在硅中的固溶度，并且可以有效调控与另一掺杂元素的比例。从而可以获得各种掺杂浓度、微结构高度、晶体性等的含有氮原子调控的超饱和掺杂硅材料。研究了不同调控浓度下材料的基本性质包括光吸收，电学性质等，尤其建立了这些性质与超饱和氮原子的关联和规律，实现材料性质的有效调控。例如低于禁带宽度的光吸收，吸收率从~30%-~90%可调。研究了基于该材料光电特性的可能应用和性能，包括光电探测，光伏电池等。在低于禁带宽度的波段上观察到了光电响应，而且随共掺超饱和硅中氮原子浓度的变化，获得了光电响应的调控。在最佳比例浓度下，1050nm处响应可达6A/W，比商业硅探测器在这个波段的响应高出约20倍，并且其响应波长也得到了拓宽，达到了至少1250nm。最后研究了环境气体对光电响应的增强效应，在1000nm处，一定浓度NO2气体环境下，外量子效率可提高约46倍。反过来增强的光电流提供了探测环境气体的新途径，这一现象预示着更多领域的应用可能。研究结果对于类似材料的制备，性质、物理机理的认识，以及探索新的应用有着参考意义。