面向红外探测应用的飞秒激光微结构化黑硅的掺杂改性研究

Infrared (IR) detection technique holds the significance on many fileds both for military and civil. Now a kind of noval IR material called black silion, which is made by femtosecond laser doping with chalcogen impurity, can extend the absorption to the wavelength of 2.5 μm. Therefore, such material can be especially suitable for the IR silicon-based integrated optoelectronics. However, the black silicon still have several difficulties to hinder its application on IR detection: the mechanism of IR absorption is still under debate; the loss for IR absorption after heat annealing and the efficiency of photoelectric converstion is still not clear. In this proposal, based on our former investigation, we will employ the femtosecond-laser doping technique combined with the first-principles calculations to study the origin of IR absorption for black silicon and the evolution behvior for the external impurity under annealing. The research contents include: the first-principles study on the reason for IR absorption and the ability for the electron-hole seperation; the black silicon fabrication with stable IR absorption; study on the photoelectric converstion by black silicon IR detector. It is expected that, by the works above, important suggestions to realize the high-performance IR black silicon can be obtained for the independent innovation in China.

红外探测技术在军事和民用中均具有重要意义。目前飞秒激光制备的硫族元素掺杂黑硅可以将其吸收范围延伸至2.5微米的近红外波段，因而该材料在红外硅基集成光电子芯片的应用具有广阔前景。然而，这种新颖黑硅材料仍面临着红外吸收机理不明朗、吸收热退火失效以及光电转换机理不清等问题，这显著制约了其在红外探测中的应用。本项目在申请者前期良好工作基础上，拟通过非平衡掺杂黑硅的飞秒激光制备结合第一性原理研究方法，探索掺杂改性黑硅材料的红外吸收物理根源及杂质退火演化规律，具体研究内容包括黑硅材料的红外吸收机制及红外光子俘获分离第一性原理研究；红外吸收退火稳定的黑硅材料制备；黑硅器件的红外光电转换效率研究。通过以上研究工作澄清黑硅材料红外吸收及光电转换的物理本质，为我国在高性能黑硅红外材料的自主创新设计及应用提供重要建议。

本项目研究目标是通过飞秒激光制备非平衡掺杂黑硅来探究黑硅的红外吸收机制及其红外吸收退火失效的物理根源，同时通过光电探测器件制作评价黑硅材料的红外光电转换效率，最终制备出满足红外探测应用的高性能黑硅材料。在获得国家自然科学青年基金资助的三年期间，研究条件得到显著改善，与国内、国际学术交流合作频繁，在四方面研究取得显著进展。(1)明确飞秒激光微结构化黑硅的红外吸收机制。针对真空黑硅材料分析了由超短脉冲激光直接诱导的结构缺陷对红外吸收增强的机理及其缺陷分布状态 [IEEE Photon. Technol. Lett. 27, 1481, 2015]；制备具有红外吸收热退火稳定的磷掺杂黑硅材料，分离出复杂红外吸收的贡献 [IEEE Photon. J. 8, 6805809，2016]。(2)飞秒激光非平衡掺杂改性黑硅探测器件应用：制备过饱和硫掺杂黑硅N+-P型光电探测器件，器件对800 nm近红外光的响应度为0.69 A/W@-5 V， [IEEE Sens. J. 15, 4259, 2015]; 在SF6/N2混合气氛下利用飞秒激光辐照获得了具有红外吸收退火稳定的过饱和氮-硫共掺型黑硅材料，制备了对1.31微米红外光响应度为58 mA/W@-5 V的黑硅光电转换器件[IEEE Sens. J. 16, 5227, 2016]；制备高效催化和检测功能银－黑硅（Ag-BS）复合结构的微流控芯片，提高了催化反应的效率及活性并利用SERS检测技术实现对催化反应状态的原位监测。[Chin. Opt. Lett. 13, 102401, 2015]。这一研究工作被选为该杂志的封面文章并被OSA China作为亮点报道。(3) 超快激光与半导体相互作用材料改性探索: 纳秒微结构化黑硅[Opt. Quantum Electron. 48, 22, 2016]；飞秒激光改性ZnS材料 [Appl. Surf. Sci. 293, 332, 2014]；利用第一性原理计算方法，研究了非晶锗铜碲的热稳定性物理起源 [Acta Mater. 90, 88, 2015]。(4)其他研究: 在单分子层II-VI族化合物半导体的设计、超材料微腔模式的设计、锗硅合金表面光学二次谐波探测等方面也取得较为显著的研究成果。以上研究为我国在黑硅红外探测材料制备及红外探测器件研制等方面提供有益参考。