光电探测器是根据光电效应,将入射光信号转化为电信号进行输出,实现对光信息的采集。本文围绕提高硅基光电探测器响应特性的目标,开展纳米线硅制备、光学性能以及光电响应特性优化等研究,主要获得了以下结果:(1)纳米线硅制备:优化了金属辅助化学刻蚀制备纳米线硅工艺,通过改变镀银时间、刻蚀时间和反应温度等工艺参数,实现了纳米线硅的可控制备。实验确认刻蚀过程中银纳米颗粒存在横向输运,嵌入纳米线硅表面,随退火形成非平衡掺杂。(2)光学吸收特性:纳米线硅材料在400 nm-2500 nm的波长范围内均具有优异的光学吸收特性。一方面,纳米线硅表面的柱状陷光结构增加入射光的光程,起到减反射薄膜的作用。另一方面,镶嵌在纳米线硅表面和底部的银纳米颗粒以及刻蚀过程引入的缺陷进一步提高了样片的光吸收能力。(3)光电响应特性:采用丝网印刷法制备上下电极,获得原型器件。器件表现出典型的整流特性,在254 nm-2500 nm的宽光谱辐照下表现出良好的光电响应性能,实现了紫外-可见-近红外-短波红外的硅基器件宽光谱响应。5V偏压下,采用980 nm激光辐照,器件开关比达到131:1;响应度达到28.23A/W,对应的增益因子为35.72;器件的时间响应特性达到微秒级别,其上升和下降时间分别为25μs和62μs。器件在近红外和短波红外波段仍然有明显的响应,在1200 nm、1310 nm、1650 nm、2200 nm波长光辐照下,其响应度分别达到68.85 m A/W、714.29μA/W、77.14μA/W、50μA/W。(4)光电响应机制:SEM和TEM测试表明,纳米线硅表面存在大量缺陷(错位和空位),捕获了N型半导体中的多数载流子(电子),导致纳米线硅表面能带弯曲,形成内建电场。在入射光(波长小于1100 nm)照射下,价带电子被激发到导带,激发的光电子在内建电场的作用下分离并形成光电流。在近红外和短波红外波段(波长大于1100nm),缺陷和银掺杂形成的中间能级贡献了主要的光电流。(5)器件后处理对光电特性的影响:退火工艺存在两种效应,一是纳米线硅表面缺陷不断修复,二是银颗粒掺杂形成非平衡杂质。反偏电压作用下,缺陷修复导致了内建电场不断减弱,激发光电子分离效率降低,故光电响应特性逐渐减弱。而正向偏压下,随着退火温度升高,光入射到银颗粒激发的光电子逐渐从缺陷中释放出来,提高了光电特性;同时激活掺杂的银元素,形成非平衡杂质能级,进一步提高光电特性。当退火温度为500℃时,缺陷修复和银非平衡掺杂达到平衡,光电响应度最高。另外,随着退火温度的增加,实验观测到零偏压下的光电流方向发生了两次反转。银非平衡掺杂随温度变化既可以引入施主能级,又可以引入受主能级,形成P型和N型半导体,光电流反转表明了内建电场的反转,证实了纳米线硅表面从N到P再到N型的二次转变。