《超快雷射超飽和摻雜微觀機制及材料物性研究》是依託南開大學，由姚江宏擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超快雷射超飽和摻雜微觀機制及材料物性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：姚江宏
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
超飽和摻雜材料具有深能級金屬絕緣體相變、擴展子帶隙吸收等新穎特性，在新一代可見-紅外一體探測器、廣譜吸收中間帶太陽能電池領域有非常大的潛力。本研究針對目前飛秒雷射超飽和摻雜矽材料中未解決的摻雜微觀機制、材料細緻表征、性能最佳化等問題，提出研究具有平整表面的飛秒雷射超飽和摻雜矽材料（粉矽）。擬採用泵浦探測技術、瞬態發射譜、二次離子質譜等技術，結合雷射電漿及材料相變過程中的關鍵力學參數計算的方法研究揭示超飽和摻雜的微觀機制。揭示摻雜元素、製備條件和退火方式與原子、電子等材料微觀結構信息的內在關聯和相互影響的規律。利用瞬態光譜技術研究超飽和摻雜材料中載流子輸運過程，建立和完善載流子微觀輸運機制，力求從物理機理出發探索超飽和摻雜矽材料與器件的光電性能調控技術及其最佳化條件，為發展新一代矽基光電器件提供實驗支持與理論依據。
結題摘要
超飽和摻雜材料具有深能級金屬絕緣體相變、擴展子帶隙吸收等新穎特性，在新一代可見-紅外一體探測器、廣譜吸收太陽能電池等領域有非常大的潛力。在本項目的研究中，我們利用飛秒雷射製備了高質量超飽和摻雜微納結構黑矽材料與器件，系統研究了飛秒雷射參數對超飽和摻雜黑矽材料及其器件的影響，從物理機理出發探索了超飽和摻雜矽材料與器件的光電性能調控技術及其最佳化條件，在此基礎上研製出了高質量的超飽和摻雜黑矽光電探測器，為發展新一代矽基光電器件提供實驗支持與理論依據。主要研究包括：1.分析了飛秒雷射誘導矽微納結構表面形貌演變過程，分析證實有效退火能夠減少矽納米顆粒的團簇，修復晶格，減少缺陷，改善材料與器件的光電性能；2.研究了飛秒雷射超強超快作用晶體材料的熱力學過程，詳細分析了雷射作用過程中單晶Si的晶相轉變。3.系統分析了工藝參數對微納結構表面形貌、超飽和摻雜濃度、摻雜離子的能級位置、載流子濃度變化等影響，最佳化了超飽和摻雜黑矽材料與器件的性能；4.完善了TTM-Drude模型，該模型能夠系統描述飛秒雷射與晶體材料相互作用過程中的載流子和晶格變化，系統模擬分析了飛秒雷射與晶體材料的相互作用物理機制；5.利用快速熱退火修復缺陷、激活載流子，非晶矽鈍化抑制表面態等技術研製出的過飽和摻雜黑矽光電探測器，在400nm到1600nm範圍內的回響特性，超出商用矽基探測器大約三個數量級，在1310和1550nm黑矽光電探測器在20V偏壓下的回響分別能達到0.58和0.80A/W，達到商用鍺探測器紅外回響水平，突破了矽基探測器的能帶極限。6.提出了利用飛秒雷射製備基於超薄單晶矽的柔性黑矽光電探測器，在550nm到1100nm波長範圍內彎曲應力對器件的光電回響幾乎沒有影響，最大比探測率D*值高達1.66×1013Jones。與之前報導的矽基光電探測器相比，黑矽器件展現出更加優異的綜合性能。
