微纳结构硅的制备及其在红外探测器的应用

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 2.46MB 57 页 15积分

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摘要

红外传感技术已被广泛应用到各个领域，从军用的红外制导、红外侦察，到

医用的红外热成像，再到民用的物联网以及红外防盗，各个领域都得到红外科技

的支持。探测技术是红外传感技术的核心部分，应用前景相当可观。然而大多数

半导体红外探测都是基于砷化镓铟或砷化铟，这种材料价格高昂，且不易于集成。

本文研究了一种新型硅基材料，表面密布着微纳级别的锥状尖峰结构，克服

了普通单晶硅带隙限制和高反射率的缺陷。由于硅材料本身成本较低，且集成度

很好，提高了性能的硅材料可为红外探测器提供更优秀且更节省成本的解决方案。

本文首先介绍了飞秒激光脉冲的“放大”过程和具有窄脉宽和高峰值功率这

两大特点飞秒激光脉冲与固体相互作用的动态模拟和时间分辨描述。随后结合超

快激光技术、高度定位技术，设计并搭建了微纳结构硅的实验系统并详细介绍了

微纳结构硅的制备过程。由于飞秒激光的加工属于精密过程，激光参数对实验的

影响至关重要。因此在不同激光参数及环境条件下蚀刻单晶硅，首次完整给出了

入射激光数和脉冲能量对表面尖峰状微结构形成的影响：尖峰高度随脉冲数的增

加而升高，但脉冲数增加到一定程度时，强烈的材料溅射作用在硅材料表面蚀刻

出一个凹洞；脉冲能量的增加对尖峰高度起到先促进后抑制的作用，即脉冲能量

达到一个阈值时，尖峰高度开始随能量升高而平稳降低。文中对这种尖峰高度的

演变规律给出了详细的理论解释，并根据此结果得到最适合红外探测器的微纳结

构硅的制备参数。根据红外探测器的基本原理和特性，提出了基于微纳结构硅材

料的红外探测器样品的设计，以及形成欧姆接触的电极制备。

最后，在总结当前工作的基础上，对本课题的后继工作提出了一些需要改进

和完善的地方。

关键词：飞秒激光微纳结构硅脉冲参数红外探测器

ABSTRACT

Infrared sensing technology has been widely applied to various fields, including

military infrared-guided, infrared reconnaissance, medical infrared thermal imaging,

civilian and infrared security. Detection technology, which has considerable prospect of

application, is a core part of the infrared sensor technology. However, most of the

semiconductor infrared detectors are based on InGaAs or InAs, which is expensive and

difficult to integrate.

In this paper, a new type of silicon-based material is prepared. The surface of this

material is densely covered with cone peak structure of the micro-and nano-scale, which

help to overcome the defects such as ordinary band gap limitation and high reflectivity

of monocrystalline silicon. Since the cost of silicon material is lower and the integration

is better, the improving performance of silicon materials provides better and more

cost-saving solution for infrared detectors.

This paper first introduces the description of amplifier process of femtosecond

laser pulses. And also describe the dynamic simulation and time resolution of

femtosecond laser pulses, which has two characteristics of narrow pulse width and high

peak power, interacting with solid material. Subsequent combination of ultrafast laser

technology, a high degree of positioning technology, the experimental system of

fabricating micro-structured silicon is designed and built, and the preparation of the

micro-structured silicon is described in detail. As the femtosecond laser processing is a

precise process, the influence of the laser parameters of the experiment is essential. The

mono-crystalline silicon is etched under different laser parameters and environmental

conditions. The influence of the pulse number irradiated and pulse energy for the

formation of spikes is given for the first time: spike height increased with the increase

of the number of pulses, but when the number of pulses reach to a certain extent, the

silicon surface is etched to a hole for the strong sputtering material; the increasing of

pulse energy increase the height of the spike at first and decrease it when the pulse

energy reaches a threshold, which means that the spike height increasing at low pulse

energy but decreasing at high energy. A detailed theoretical explanation is given for this

evolution for the spike height. In accordance with this result, the optimal laser

parameters are found for the preparation of infrared detector based on micro-structured

silicon. According to the basic principles and characteristics of the infrared detector, the

infrared detector based on micro-nano structure of silicon material is designed and the

formation of ohmic contact electrode is also defined.

Finally, follow with the summary of the current work, the expectation of the future

work on this subject is brought.

Keywords: femtosecond laser, micro-structured silicon, pulse

parameter, infrared detector

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................................................................................... 1

§1.1 红外探测器的发展及应用 .................................................................................. 1

§1.1.1 红外探测器的发展 ................................................................................... 1

§1.1.2 红外探测器的应用前景 ........................................................................... 2

§1.2 基于微纳结构硅基材料的红外传感器 ............................................................. 4

§1.3 论文的内容安排 .................................................................................................. 5

第二章飞秒激光与固体作用的过程 ............................................................................... 7

§2.1 飞秒激光脉冲能量的放大 .................................................................................. 7

§2.2 飞秒激光与固体作用的物理过程 ..................................................................... 8

§2.3 激光消融固体的分子动态模拟 ....................................................................... 11

§2.4 激光消融固体的影像分析 ................................................................................ 12

第三章微纳结构硅的制备 .............................................................................................. 15

§3.1 微纳结构硅的简介 ............................................................................................. 15

§3.1.1 新型微纳结构硅的发现 ......................................................................... 15

§3.1.2 微纳结构硅的优良特性 ......................................................................... 17

§3.1.3 微纳结构硅材料的应用 ......................................................................... 19

§3.2 微纳结构硅的制备 ............................................................................................ 20

§3.2.1 实验系统的搭建 ..................................................................................... 20

§3.2.2 制备方法及过程 ..................................................................................... 22

第四章微纳结构硅的特性分析 ...................................................................................... 25

§4.1 光学特性的研究 ................................................................................................ 25

§4.1.1 测量方法 .................................................................................................. 25

§4.1.2 测量结果 .................................................................................................. 26

§4.1.3 对超强光学特性的分析 ......................................................................... 27

§4.2 表面形貌的研究 ................................................................................................ 29

§4.2.1 入射脉冲数对表面形貌的影响

............................................................ 29

§4.2.2 脉冲能量对表面形貌的影响 ................................................................ 32

§4.2.3 激光通量对表面形貌的影响 ................................................................ 36

§4.2.4 环境气体对表面形貌的影响 ................................................................ 38

第五章微纳硅基红外探测器的制造方法 ..................................................................... 40

§5.1 红外探测器的基本原理 .................................................................................... 40

§5.1.1 P-N结特性 ............................................................................................... 40

§5.1.2 光电导效应 ............................................................................................. 42

§5.1.3 光电探测器的参数及特性 .................................................................... 43

§5.2 基于微纳硅的红外探测器的制备方法 ........................................................... 44

§5.2.1 样品的设计 ............................................................................................. 44

§5.2.2 表面电极的制备 ..................................................................................... 45

§5.2.3 欧姆接触制备 ......................................................................................... 46

第六章总结与展望 ........................................................................................................... 48

§6.1 对全文工作的总结 ............................................................................................ 48

§6.2 对未来研究工作的展望 .................................................................................... 49

参考文献 ............................................................................................................................. 50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................. 53

致谢 .................................................................................................................................... 54

第一章绪论

§1.1 红外探测器的发展及应用

传感器的原理是将外界其他信号转变为电信号，红外传感器也不例外，是通

过器件将辐射的红外辐射信号转变成电信号并且输出。其中最关键的当属红外探

测器件。红外光不同于普通光，需要专门的器件来探测它的存在，并把它转变成

可以度量的物理量来衡量它的强弱。通常状况下，红外光的辐射会引发一系列热

学、电学或光学效应，这些效应的输出都可以通过一些方式转变成电量，间接测

量这些效应，便可以反映出红外辐射的强度等参数。现代精密的红外探测器主要

基于光电效应。

§1.1.1 红外探测器的发展

十九世纪初，天文学家 F. W. Herschel 在研究太阳光的热效应时，偶然发现太

阳辐射出的不仅是日常熟悉的可见光，还存在人类肉眼不能发现的光，他将这种

波长大于红光的光线定义为红外线，即红外辐射。随后 Herschel 将水银温度计涂

黑，进一步研究红外辐射，这种研究设备可称得上是最早的红外探测器[1]。几十年

后，有科学家发现，用两种不同的导电材料衔接，接触点温度的变换会产生响应

的电响应，利用这种效应可以制造出的温差热电偶成为最早的热敏型红外探测器

[1]。之后，将单个的温差电偶串联，出现了灵敏度更高的温差电堆。不久之后，科

学家发现金属材质导电细丝的电阻会随温度变化，并利用这种特性制备出了辐射

热探测仪，进一步推动了红外探测器的发展。

1917 年，T. W. Case 首次利用 Ti2S制备出了新型红外探测器，为最早的光电

型红外探测设备，虽然这种探测器的长波限仅到 1.1µm，但在随后的第一次世界大

战期间，它已被其应用于军事领域[2]。1933 年，柏林大学的 Kutzscher 教授发现了

硫化铅(PbS)的光电导效益，且其响应光谱可达 3µm[3]。硫化铅探测器首次将光子

型探测器的极限波长拓展到 3µm，为红外探测开辟了新纪元，于此同时，各种高

灵敏度的探测器也相继问世[4]。

二十世纪 60 年代左右，红外技术最重要的成就是发明了碲镉汞(HgCdTe)红外

材料和探测器[5]。碲镉汞材料有非常优越的红外特性，并且因为其超宽光谱的响应，

使其在各种红外探测器上的应用相当灵活。

二十世纪 70 年代后，红外探测已经得到进一步完善，尤其是光子型红外探测

器，基于半导体物理学的进步，已经出现了几乎可以覆盖整个红外波段的探测器

其中硫化铅(PbS，覆盖波长 1~3 µm)、锡化铟(InSb，覆盖波长 3~5 µm)、碲镉汞

(HgCdTe，覆盖波长 8~12 µm)等器件已接近或达到理论极限[6]。后来，基于半导体

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摘要红外传感技术已被广泛应用到各个领域，从军用的红外制导、红外侦察，到医用的红外热成像，再到民用的物联网以及红外防盗，各个领域都得到红外科技的支持。探测技术是红外传感技术的核心部分，应用前景相当可观。然而大多数半导体红外探测都是基于砷化镓铟或砷化铟，这种材料价格高昂，且不易于集成。本文研究了一种新型硅基材料，表面密布着微纳级别的锥状尖峰结构，克服了普通单晶硅带隙限制和高反射率的缺陷。由于硅材料本身成本较低，且集成度很好，提高了性能的硅材料可为红外探测器提供更优秀且更节省成本的解决方案。本文首先介绍了飞秒激光脉冲的“放大”过程和具有窄脉宽和高峰值功率这两大特点飞秒激光脉冲与固体相互作用的动态模拟...

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