新型黑硅材料与红外探测器研究

以研制新型黑硅材料及其红外探测器为目标，研究激光辐照技术制备新型重掺杂材料和黑硅红外探测器研制中的基础物理及相关技术问题。黑硅材料因其特有的由重掺杂形成的中间子带能级，表现为高效红外吸收性能，这为研制高性能红外探测器提供了可能，也有望研制出超宽响应范围的新型红外探测器。研究激光辐照制备黑硅材料的技术，研究黑硅材料高吸收率和广谱吸收的物理机理；研究硫系掺杂元素的浓度、分布及其对黑硅能带的影响，对太阳光谱尤其是红外光吸收率的影响；研究降低激光辐照引起的晶格损伤和对光谱吸收率变化的影响，提高黑硅材料的载流子迁移率；使用黑硅材料研制红外探测器，探索器件的增益机制，解决探测器红外光响应度下降问题；通过对器件进行低温处理，研究其性能随工作温度的变化情况；研制具有高信噪比的器件。为新型黑硅材料及其器件应用到国民经济和国家安全领域奠定基础。

黑硅材料因其特有的由重掺杂形成的中间子带能级，表现为高效红外吸收性能，这为研制高性能红外探测器提供了可能，也有望研制出超宽响应范围的新型红外探测器。我们使用超快激光辐射及金属辅助化学刻蚀制备了微纳结构硅材料，实现了材料的高吸收特性。采用在准有序硅纳米线阵列表面进行硫离子注入的方法，实现了硫系元素的高浓度掺杂，成功制备了黑硅材料，结果表明这种材料在可见光波段的光吸收率达到了95%以上，在红外波段的光吸收率也有很大提升。提出了黑硅较高光吸收率来自于微结构的减反作用以及过饱和硫掺杂的带间能级吸收。我们研究了不同实验条件对黑硅能级以及光吸收特性的影响。基于黑硅材料的独特结构和性质，我们设计出了红外探测器，测试结果表明研制出的黑硅红外探测器光谱响应有了很大提升，其最高光响应度达到了0.25 A/W。黑硅探测器的最高光响应波长对于商用探测器发生了红移，而且光响应范围在红外波段有扩展。