SiGe/Si异质结光电器件

SiGe/Si异质结光电器件及其光电集成(OEIC)是硅基光电研究的一个非常引人注目的领域.综述了SiGe/Si异质结材料的基本性质,SiGe/Si异质结光电器件的结构、性能、应用及其光电集成.重点介绍了SiGe/Si光电探测器及其与其他相关器件的集成.     

Mg_2Si/Si异质结的制备及I-V特性研究

采用磁控溅射和热处理系统制备Mg_2Si/Si异质结。首先在n-Si(111)衬底上沉积Mg膜,经热处理后得到Mg_2Si/Si异质结。利用XRD、SEM、表面轮廓仪、伏安特性测试仪和霍尔效应测试仪,研究了Mg_2Si/Si异质结的晶体结构、表面形貌、Mg_2Si薄膜厚度、I-V特性及导电类型。结果表明,成功制备了Mg_2Si/Si异质结,并得到其平均载流子浓度(-9.30×1012 cm-3)、导通电压(0.31V)、导通电流(0.6mA)、工作电压(0.53V)等,测得该异质结为n-n型。     

热处理中Si/SiGe/Si界面互扩散

利用高分辨率X射线衍射(HRXRD)和拉曼光谱(Raman spectrum)研究了由扩散引起Si/Si Ge/Si异质结中Si/Si Ge异质界面互混的现象。结果表明:应变弛豫前Si/Si Ge异质界面互混程度随热载荷的增加而增强;Si/Si Ge异质界面的硼(B)浓度梯度抑制了界面互扩散。总之,Si/Si Ge互扩散作用越强诱发Si/Si Ge异质界面越粗糙,从而导致器件性能恶化。     

Si/SiGe异质结双极晶体管的研制

通过理论分析计算，计算机模拟和工艺实验，对Si/SiGe异质结双极晶体管（HBT）的结构参数进行了精细的优化设计，特别是采用了本征间隔层和新颖的Ge分布曲线，有效地削弱了基区杂质外扩散，基区复合和异质结势垒效应的不利影响。开发了兼容于硅工艺的锗硅HBT工艺，并据此试制出了Si/SiGeHBT，测量结果表明，器件的直流和交流特性均较好，电流放大系数为50，截止频率fT为5.1GHz。     

ZnSe—(Zn_(1-x)Cd_xTe)_(1-y)(In_2Te_3)_y薄膜异质结光电特性

近年来,不少科技工作者从结晶学方面对Ⅱ—Ⅵ族化合物异质结制作技术进行深入地研究,制成一些具有优良性能的从可见光到近红外范围的光电器件,并获得广泛应用。一般说来,形成异质结的条件是构成异质结的材料应具有良好的相容性,要求异质结界面处原子,排列相似。但实际上由于材料的晶格常数、电子亲和能及热膨胀系数等的差异,还有制作工艺质量问题,常常在异质结界面产生大量的悬挂键和缺陷,造成结界面能带的不连续,对异质结性能产生严重影响。我们用真空蒸发方法,以Ⅱ—Ⅵ族化合物ZnSe、ZnTe及CdTe等为材料,制成ZnSe—(Zn_(1-x)Cd_xTe)_(1-y)(In_2Te_3)_y(x=0.2～0.5,y=0.02～0.07)薄膜异质结。用这种异质结作摄象管靶或其它光电器件。从结晶学来看,上述三种材料都是闪锌矿结构,理论上可以形成异质结,但由于晶格失配率大,是一种晶格不匹配异质结。本文简单叙述并讨论这种异质结的一些光电特性。     

纳米Si/C/N复相粉体的微波吸收特性

采用双反应室激光气相合成纳米粉体装置,以六甲基二硅胺烷((Me₃Si)₂NH)(Me:CH₃)为原料合成了纳米Si/C/N复相粉体,粒径为20 nm~30 nm。研究了纳米Si/C/N复相粉体在8.2 GHz~18 GHz的微波吸收特性,结果表明:纳米Si/C/N复相粉体介电常数的实部(ε')和虚部(ε″)在8.2 GHz~18 GHz随频率增大而减小,介电损耗(tgδ=ε″/ε ')较高,是较为理想的微波吸收材料;纳米Si/C/N复相粉体在不同基体中的微波吸收特性出现很大差异。纳米Si/C/N复相粉体中的SiC微晶固溶了大量的N原子,形成大量带电缺陷,极化弛豫是吸收微波的主要原因。根据纳米Si/C/N复相粉体与石蜡复合体的实测介电参数,设计出多组在8 GHz~18 GHz范围内微波反射系数R≤-8dB的吸波涂层结构。     

β-Ga2O3/p-SiNWs异质结光学特性与电学性质研究

氧化镓(Ga₂O₃)是一种宽禁带的半导体材料,超大的禁带宽度(4.9eV)、较高击穿电场强度和高热稳定性,使其成为一种很有应用前景的材料。本文以p型硅纳线阵列(p-SiNWs)为衬底,使用磁控溅射法制备了β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结,探究了其光学与电学性质。与纯Si相比,p-SiNWs表现出优良的“陷光”特性,其反射系数约为纯Si的1/6,且随着p-SiNWs长度的增加,反射系数逐渐降低。室温下光致发光光谱(PL)测试发现,异质结在551nm附近出现典型的绿色发射峰。β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结具有明显的整流特性,在V=1.40V时其整流系数高达1724,随着p-SiNWs长度增加异质结理想因子逐渐增加,最佳理性因子为1.98。通过计算logI-logV图对其电荷传输机制进行了探究。退火可以提高β-Ga₂O₃薄膜的结晶度,从而提高异质结的电学特性。     

新型硅基双异质外延SOI材料Si/γ-Al2O3/Si制备

异质外延法是目前制备新型SOI材料的技术途径之一。采用低压化学气相沉积技术(LPCVD)在硅衬底上先外延γ-Al2O3绝缘单晶薄膜，制备出硅衬底上外延氧化物外延结构γ-Al2O3/Si(EOS)，然后采用类似SOS薄膜生长的常压CVD(APCVD)方法在EOS上外延硅单晶薄膜，形成新型硅基双异质SOI材料Si／γ-Al2O3／Si。利用反射高能电子衍射(RHEED)、X射线衍射(XRD)、俄歇电子能谱(AES)及MOS电学测量等技术表征分析了Si(100)／γ-Al2O3(100)／Si(100)SOI异质结构的晶体结构、组分和电学性能。测试结果表明，已成功实现了高质量的新型双异质外延SOI结构材料Si(100)／γ-Al2O3(100)／Si(100)，γ-Al2O3与Si外延薄膜均为单晶，γ-Al2O3薄膜具有良好绝缘性能，SOI结构界面清晰陡峭，该SOI材料可应用于CMOS电路的研制。     

退火温度对ZnO/Si异质结光电转换特性的影响

采用直流反应溅射法在P-Si(100)衬底上制备了ZnO薄膜,XRD测量表明ZnO为沿c轴高度取向的多晶薄膜,1-V特性曲线表明,ZnO/Si异质结具有明显的整流特性.研究了退火温度对异质结光电转换特性的影响,结果显示,合适的退火温度能显著增大异质结的开路电压和短路电流,进而增大异质结的光电转换效率,经400℃退火后异质结获得最佳的转换效率.当退火温度达到或超过500℃时,异质结的反向电流迅速增加,光生电压和光生电流大幅度减小.通过对ZnO薄膜结构和电学性质的测量和分析,推测异质结的光电转换特性改变主要受ZnO薄膜的电学性质影响.     

纳米棒状Ag3PO4/TiO2异质结复合材料的可见光催化性能

采用水热法制备了一维棒状TiO_2纳米材料,再通过原位生长法合成了棒状纳米Ag_3PO_4/TiO_2复合材料,制备了不同摩尔量的纳米棒状Ag_3PO_4/TiO_2异质结复合材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、漫反射紫外-可见近红外光谱仪(UV-Vis-DRS)和电化学阻抗谱(EIS)对纳米棒状Ag_3PO_4/TiO_2异质结复合材料的晶体结构、形貌、光吸收特性和电子复合情况等进行了表征,并在可见光照射下研究了甲基橙和苯酚的光降解率。结果表明:制备的纳米棒状TiO_2具有更大的比表面积,为纳米Ag_3PO_4的负载提供更多的活性位点,提高了光利用效率;Ag_3PO_4/TiO_2复合材料有异质结的形成,其内建电场可有效提高电子-空穴对的分离效率,进而提高材料的光催化性能和稳定性。     

Cu2ZnSnS4/Bi2FeCrO6半导体异质结的脉冲激光沉积法制备及其光电性能

为充分发挥无机铁电氧化物双钙钛矿Bi2FeCrO6(BFCO)的光电特性,选择P型半导体化合物Cu2ZnSnS4(CZTS)作为空穴传输层与BFCO结合,构建半导体异质结.采用脉冲激光沉积法(PLD)制备得到上述两种多元化合物薄膜,SEM,AFM,EDS及XRD测试结果可证明所得产物形貌均匀致密、且符合化学计量比;原位逐层沉积技术可以抑制异质结界面缺陷和杂质的产生.着重研究了沉积温度及不同基底对薄膜性能的影响.采用基于可见光吸收谱的测试和Tauc方法分别估算BFCO和CZTS薄膜的禁带宽度,结果分别为2.23 eV和1.49 eV.研究结果表明:该异质结具有良好的整流特性;当电场强度在0.5 kV/cm到2.0 kV/cm之间时,结构漏电机制符合Schottky发射模型.     

Si/PEDOT:PSS异质结太阳能电池研究进展

以有机材料作为空穴传输层的Si/有机杂化太阳能电池由于其器件结构与制备工艺的不断优化,在短期内实现了理论探究与合成应用的快速增长。但有机材料具有的导电性低和复合界面间稳定性差等缺点,严重影响了复合器件的光电转化效率和使用寿命,阻碍了异质结太阳能电池的技术发展与市场应用。在Si/有机杂化太阳能电池领域,聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT∶PSS)是目前为止效果最佳的有机半导体。PEDOT∶PSS具有高导电性和高透过率等特点,使其成为一种理想的有机空穴传输层材料,并在异质结太阳能电池技术发展和工业应用中脱颖而出。利用PEDOT∶PSS的高导电性能可实现空穴的有效传输,其较高的透过性降低了P-N结生成过程中的寄生吸收,并且在制备中免去了传统硅基太阳能电池所需的高温环节,有效地降低了实际生产成本。近五年来,为降低PEDOT∶PSS中绝缘的PSS对电子传输和表面复合性的影响,大量学者进行了掺杂改性和界面设计的研究工作,有效降低了绝缘性PSS带来的影响,充分发挥了PEDOT高透性和高导电率的优势,优化表面陷光性和器件稳定性,实现了光电转化效率从5.09%至17.4%的大幅度跳跃。本文从Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池的结构与工作原理出发,重点介绍了Si材料和PEDOT∶PSS有机物的表面修饰、PEDOT∶PSS的掺杂改性、界面氧化层改性和对嵌入式微电网电极改造手段及它们对整体器件性能提升的影响等工作,归纳并分析了Si/PEDOT∶PSS杂化太阳能电池的最新研究进展,展望了太阳能电池的技术研发和理论研究,对未来Si/PEDOT∶PSS异质结太阳能电池的实验室技术研发与工业化生产应用具有一定参考意义。     

基于单负超材料的高品质因数亚波长谐振腔

首先对由两种单负超材料组成的异质结的传输特性进行了研究,发现该异质结具有谐振腔功能和亚波长特性。然后对该亚波长谐振腔品质因数的增强进行了研究,发现当在由两种单负超材料组成的异质结界面处引入类电磁感应透明超材料原胞时,谐振腔的品质因数得到大幅增强,从而获得了一种具有高品质因数特点的亚波长谐振腔。该谐振腔将有助于微波及更高频段元器件的小型化。     

Cu2ZnSnS4/Si异质结器件的制备及特性研究

利用脉冲激光沉积法在不同电阻率的n型Si(100)基片上沉积Cu2ZnSnS4薄膜,制备p-Cu2ZnSnS4/n-Si异质结.利用X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)和原子力显微镜(AFM)对Cu2ZnSnS4薄膜的结构、组分和形貌进行表征,并对器件进行I-V测试,讨论不同电阻率的Si对异质结器件光电特性的影响.结果表明,器件有良好的整流特性,Si电阻率大的器件光电响应比较好,而Si电阻率小的器件光伏效应比较明显.     

近红外Mg2Si/Si异质结光电二极管的结构设计与仿真

本工作设计了近红外Mg_2Si/Si异质结光电二极管的器件结构,并采用Silvaco-TCAD对器件主要性能参数(包括光谱响应、暗电流等)进行模拟仿真,优化了器件的结构参数和工艺参数。仿真结果表明:所设计的pin型光电二极管在波长为0. 6～1. 5μm时比pn型光电二极管具有更高的响应度,峰值波长为1. 11μm时,响应度最高达到0. 742 A·W~(-1),1. 31μm处响应度为0. 53 A·W~(-1)。pin型光电二极管的暗电流密度较pn型光电二极管略大,约为1×10~(-6)A·cm~(-2)。Mg2_Si/Si异质结中间界面态密度也不宜超过1×10~(11)cm~(-2)。     

Ⅱ型C2N/ZnO异质结水分解光催化剂的第一性原理研究

基于单层C₂N和ZnO,构建了一种新型2D范德华(vdW)异质结。在第一性原理下进行密度泛函理论计算，系统地研究了C₂N/ZnO异质结的光催化应用。结果表明，C₂N/ZnO异质结具有1.68 eV的直接带隙，其Ⅱ型带对准可以促使光生电子和空穴分离在不同层上。由Mulliken电荷布局分析可知，C₂N层有0.53个电子转移到ZnO层，在异质结界面处形成了一个较强的内建电场E_int,抑制了光生电子空穴对的复合。此外，C₂N/ZnO异质结的带边位置跨过了pH=2～7时的水氧化还原电位，同时拉伸应变可以增大其光催化水分解pH范围。特别地，C₂N/ZnO异质结保留了高载流子迁移率和优异的光吸收性能，太阳能-氢能(STH)转换效率可达到24.6%。因此，C₂N/ZnO异质结是一种具有应用前景的水分解光催化剂。     

Ag/Bi4Ti3O12/p-Si异质结的制备及其C-V特性研究

为制备符合铁电存储器件要求的高质量铁电薄膜,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺,制备了Si基Bi4Ti3O12铁电薄膜及MFS结构的Ag/Bi4Ti3O12/P-Si异质结,对Bi4Ti3O12薄膜的相结构特征及异质结的C-V特性进行了测试与分析.XRD图谱显示,Si基Bi4Ti3O12薄膜具有沿c-轴择优取向生长的趋势,而Ag/Bi4Ti3O12/p-Si异质结顺时针回滞的C-V特性曲线则表明,该异质结可实现电极化存储.此外,对该异质结C-V特性曲线的非对称及向负偏压方向偏移的产生原因也进行了分析.在此基础上,为提高铁电薄膜的铁电性能及改善其C-V特性提出了合理的结构设想.     

退火处理对Zno/Si异质结光电转换特性的影响

采用直流反应溅射方法在p型Si(100)衬底上生长掺Al的ZnO薄膜,并研究退火处理对ZnO薄膜性质的影响。XRD测量结果表明,ZnO薄膜为六方纤锌矿结构,退火后薄膜的晶粒长大,晶界减少;暗态I-V特性曲线表明,ZnO/Si异质结具有明显的整流特性,退火后由于晶粒间界减少和空位浓度降低使反向漏电流降低1个量级;此外,退火处理能在一定程度上改善异质结的光伏效应,使其转换效率提高。     

β-FeSi2/Si异质结的伏安特性分析

用磁控溅射方法制备β-FeSi2/Si异质结,在分析其伏安特性的基础上探索其是否适合制备红外探测器,XRD、SEM分析表明,该方法能得到纯净、表面平整的β-FeSi2/Si薄膜;在室温下异质结的I—V特性具有很好的整流特性,整流效率约为Idirect／Ireverse～10^2,分流电阻约为38．4kΩ,零偏压下的电流响应率约为26μA／W。推算结果表明,该异质结的红外探测率约为1．479×10^9cm·√Hz/W,适合用于制备红外探测器。     

La_(1-x)Sr_xMnO_3薄膜的制备、微观结构及电性能

以无机盐为原料,采用溶胶-凝胶法在Si衬底上制备了La1-xSrxMnO3(LSMO)薄膜。XRD和TEM测试表明LSMO薄膜呈现纳米多晶菱形钙钛矿结构,薄膜的(012)、(110)晶面间距分别为0.38nm、0.28nm。SEM分析表明LSMO薄膜表面平整、光滑致密。电学测试La1-xSrxMnO3/Si异质结的I-V特性曲线表明,随着Sr掺杂量的增加,同一偏压下的开启电压变小,当电压大于10V时,La1-xSrxMnO3/Si异质结的电流迅速增大,呈现传统的p-n结特征。