基于光學特性的柔性黑硅濾波器的制備與性能研究

基于光學特性的柔性黑硅濾波器的制備與性能研究

多個光電探測器的應用由于微機械系統(tǒng)（ss）技術的進步和發(fā)展，以及食品安全檢測和環(huán)境評估等領域的信息。該儀式儀式的微型光譜具有價格低廉、訪問方便、在線檢測等優(yōu)點，廣泛應用于食品安全檢測、環(huán)境評估等領域。然而,隨著待測對象種類的不斷繁多,僅能在某一特定波段內進行光譜測量的傳統(tǒng)式微型光譜儀的功能局限性日益嚴重。因此,急需研發(fā)紫外-可見-近紅外寬波段微型光譜儀以滿足急劇增長的檢測需求。在寬波段光譜儀中,由于光電探測器材料能帶結構的固有特性,使得其光譜響應范圍較窄。為此,通常需要采用多個光電探測器來進行組合光譜測量。例如,采用1個背照式線陣型電荷耦合元件探測250～400nm波段的紫外光譜,1個Si線陣器探測400～900nm波段的可見-近紅外光譜,2個InGaAs線陣器件分別探測900～1700和1700～2500nm波段的近紅外光譜。多個不同波段的光電探測器的使用,極大地限制了寬波段光譜儀的微型化和集成化,是當前寬波段微型光譜儀發(fā)展所面臨著的一個重要瓶頸。因此,亟待解決在紫外-可見-近紅外波段內實現單一光電探測器的寬光譜高吸收這一難題。柔性黑硅(flexibleblacksilicon,FBS)是一種曲面可控的新型黑硅材料,其可控曲面可以在很大程度上減小光譜像差校正,解決光譜儀器中寬光譜、高分辨率與小體積之間的矛盾問題,對寬波段光譜儀的進一步微型化及分辨率的提高有著重要價值,是一種極具潛力的新材料。由于該材料的禁帶寬度為1.07eV,在波長大于1100nm的波段對入射光波的吸收非常微弱,因此,需要通過摻雜引入雜質能帶來彌補這一缺陷,以達到在紫外-可見-近紅外寬波段的高效吸收。針對這一新材料,本文擬從半導體能帶理論出發(fā),采用第一性原理計算了不同元素及濃度摻雜對柔性黑硅電子結構與能帶結構的影響,再將第一性原理計算和有限時域差分算法相結合,建立其吸收光譜模型,從理論上得到摻雜參數及表面微結構尺寸對其吸收光譜的影響。最后,對柔性黑硅樣品的吸收光譜特性進行測試。1晶面角及最小能量原則基于第一性原理平面波超軟贗勢方法,采用CASTEP程序及GGA-PBE形式的廣義梯度近似算法對本征Si和摻雜Si電子結構和光學性質進行計算。選取屬于Fd3m的空間群的六方A4結構的Si,晶格常數為:a,b,c均為0.54307nm,晶面角為:α=β=γ=90°。計算時選用2×2×2的超晶胞,即超晶胞中的總原子數為64。采用原子替代的方法將超晶胞中n個Si原子用S或F原子代替,使其摻雜濃度變?yōu)閚/64。平面波截斷能為220eV,能量計算在倒易空間中進行,k點網絡為2×2×2,快速傅里葉變換網格取48×48×48,自洽場的收斂精度為1×10-6eV,單原子能量的收斂精度為1.0×10-5eV,晶體內應力的收斂精度為0.05GPa。以摻雜1個硫族原子(S或F)為例,按照最小能量原則進行結構優(yōu)化,如圖1所示。優(yōu)化后,Si—S鍵長為0.248nm,最小能量為-7031.99eV。Si—F鍵長為0.286nm,最小能量為-7413.96eV。1.1摻雜原子摻雜帶隙的修正對超晶胞進行結構優(yōu)化后,計算得到摻雜Si的電子結構、能帶結構、態(tài)密度。圖2和圖3分別是計算得到的S摻雜和F摻雜后的Si的能帶結構圖與費米面附近的態(tài)密度圖。由圖2(a)可以看出,Si的能帶在導帶在導帶的G點處得到最小值0.551eV。帶隙寬度△Eg=0.551eV小于實驗值1.07eV,采用剪刀算符進行修正,修正值為0.519eV。S摻雜后,其帶隙△Eg為0.101eV,整個能帶向低能方向發(fā)生偏移,且在導帶的下方出現了由摻雜原子貢獻的雜質帶,使得帶隙變窄。由圖2(b)可知,導帶部分增加了S的3s態(tài),價帶部分增加了S的3p態(tài);在0～4eV范圍內主要由Si的3p和3s層以及S的3p層電子構成,在-4～0eV范圍內主要由S的3p層電子構成,在一6～4eV范圍內主要來自S的3p層電子的貢獻。由圖由3(a)可以看出,F摻雜后,其帶隙△Eg為0.014eV,能帶向低能方向發(fā)生偏移,費米能級進入導帶。由圖3(b)可知,F摻雜后的導帶部分增加了F的3s和3p態(tài)。在-27.4～-25.7eV范圍內主要有F的3s態(tài),-8～—6.5eV范圍內主要由F的3p層電子構成在,-5～2eV范圍內主要來自Si的3p層電子的貢獻。1.2摻雜si的光學特性基于上述能帶分析結果,根據直接躍遷幾率的定義以及Kramers-Kronig色散關系可以推導出晶體介電函數與光學吸收系數的表達式如式(1)和式(2)所示式中,C和V分別為導帶和價帶,BZ為第一布里淵區(qū),K為倒格矢,|eMCV(K)|2為動量躍遷矩陣元,EC(K)和EV(K)分別為導帶和價帶上的本征能級,ω為角頻率。圖4(a)和圖4(b)分別給出了S摻雜Si和F摻雜Si的光學吸收譜圖。如圖4(a)所示,本征Si的吸收譜有1個主要的峰位于264nm處。當S摻雜濃度由1.5%變?yōu)?0%時,摻雜Si材料的吸收截止波長發(fā)生紅移。當波長為1500nm時,1.5%,25%和50%濃度的S摻入Si對應的吸收系數分別為3315,9622和27508cm-1,其中25%和50%摻雜濃度分別是1.5%摻雜濃度的3倍和8.3倍。如1圖4(b)所示,當波長為1500nm時,1.5%,25%和50%的F摻雜濃度對應的吸收系數分別為7452,16315和21624cm-1,其中25%和50%摻雜濃度分別是1.5%摻雜濃度的2.2倍和3倍。因此,隨著摻雜濃度的增加,柔性黑硅能夠吸收的光的截止波長越大,其在近紅外波段的吸收特性得以增強。Fig.4Absorptioncoefficientofsiliconwithdifferentsulfur-dopedratio(a)andabsorptioncoefficientofsiliconwithdifferentfluorine-dopedratio2黑硅結構模型的建立時域有限差分(finitedifferencetimedomain,FDTD)算法是用于分析表面微納結構與入射光波相互作用的經典工具。由于該方法無法直接模擬不同元素摻雜所形成的半導體能帶結構變化對柔性黑硅材料吸收光譜特性的影響。因此,本文將有限時域差分算法和第一性原理計算相結合,將第一性原理計算得到的不同元素摻雜的柔性黑硅材料的介電函數及復折射率,式(1)和式(2),代入到FDTD自定義材料折射率的設置項中,在對黑硅吸收光譜進行計算仿真。柔性黑硅的結構模型包括上層圓錐結構和長方形硅襯底。上層圓錐為5×5陣列結構,大中小結構的圓錐的底面半徑分別為0.5,1和1.5μm,高度分別為1,2和3μm。硅襯底的厚度設為15μm。在平面光波入射條件下,計算得到柔性黑硅在250～2500nm范圍內的吸收光譜,其仿真計算結果如圖5所示。Fig.5AbsorptionspectrumofdopedFRSwithsurfacestructuresindifferentsizes由結果可見,相比于普通硅片而言,未摻雜的柔性黑硅在紫外及可見光波段的吸收效率從60%提高到95%,這主要是由表面微結構的陷光作用所決定的。而未摻雜的柔性黑硅和普通硅片在近紅外波段的吸光效率均低于4%,這主要是硅材料的固有能帶結構所決定。當摻雜濃度為50%時,大中小表面微結構尺寸的柔性黑硅在波長大于1100nm的近紅外波段都具有高的吸收效率,均大于70%。其中,小尺寸表面微結構柔性黑硅有最高的吸光效率,在整個寬波段范圍內的吸收效率高達90%。由此可見,在表面微結構和高濃度硫族元素摻雜的共同作用下,柔性黑硅在紫外-可見-近紅外寬波段范圍內具有高吸收效率。3飛秒激光自掃抽系統(tǒng)采用具有三層結構的絕緣層上硅片(silicon-on-insulator,SOI)作為制作超薄柔性黑硅的材料。該硅片最頂層為30μm厚的<100>晶向n型摻雜的單晶硅,中間層為2μm厚的SiO2,最底層為n型硅襯底。在飛秒激光自掃抽系統(tǒng)中的金屬盒內充入SF6腐蝕氣體用于在高溫條件下對硅表面進行S和F元素的高濃度摻雜,并使盒內氣壓穩(wěn)定在0.67bar,將激光聚焦成直徑250μm的光斑射在SOI表面,同時移動臺做“S”形移動,在SOI的最頂層制作出微結構,然后用氫氟酸把其中間層腐蝕掉,制作得到柔性黑硅,其表面微結構,如圖6所示。采用LAMBDA950分光光度計在250～2500nm波段范圍內測試了柔性黑硅樣品的反射光譜R,透射光譜T和吸收光譜A,如圖7所示。在紫外-可見波段,超薄柔性黑硅的吸收光譜非常平坦,且高于95%;在光子能量較弱的近紅外波段,吸收效率也在70%～80%之間,吸收效率高于74%。4柔性黑硅吸收光譜與光譜測試針對寬波段微型光譜儀中,亟待解決單一探測器在紫外-可見-近紅外波段內實現的寬光譜高吸收這一難題,提出了一種摻雜柔性黑硅作為寬波段探測器材料。將第一性原理與時域有