一种含PN结的单晶半导体芯光纤器件及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202311784176.6 | 申请日 | 2023-12-22 | 公开(公告)号 | CN117761824A | 公开(公告)日 | 2024-03-26 |
| 申请人 | 上海大学; | 发明人 | 赵子文; 钟双栖; 杜亦凡; 马泽成; 庞拂飞; 文建湘; 王廷云; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种含 PN结 的单晶 半导体 芯光纤器件及其制备方法。在N型半导体材料上通过 离子注入 三价元素形成PN结，再由CO2激光照射后制备光纤包层，形成光纤内单晶PN结器件。包括如下步骤：1)采用湿法 腐蚀 技术对较粗的单晶N型半导体棒进行腐蚀处理，得到直径较小的棒状芯材料；2)将腐蚀过的单晶半导体芯放入 离子注入机 下，注入合适 能量 和剂量的三价离子于半导体芯内部；通过 退火 消除由于高能离子注入半导体芯后与靶 原子 发生一系列碰撞而产生的晶格损伤；3)选择合适的玻璃毛细管包裹相适应的含PN结单晶半导体芯，用CO2 激光器 进行照射，使玻璃毛细管收缩形成光纤包层。本发明光纤器件提升了半导体芯光纤内光电器件的光电性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种含PN结的单晶半导体芯光纤器件，其特征在于：在N型半导体材料上通过离子注入三价元素形成PN结，再由CO2激光照射后制备光纤包层，形成光纤内单晶PN结器件。 |
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| 说明书全文 | 一种含PN结的单晶半导体芯光纤器件及其制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种含PN结的单晶半导体芯光纤器件及其制备方法，属于光纤技术领域。技术背景 [0002] 在频谱资源分配越来越紧张的今天，由于硅、锗等半导体在中红外波段具有较宽的传输窗口、较低的传输损耗和稳定的机械、化学特性，使其成为新一代光纤纤芯材料的合适选择。这些材料的高折射率和光学非线性对光纤全光信号处理和频率生成十分有效。高质量的半导体芯光纤具有构建光纤内高效光学系统的潜力，在一根光纤中进行光的产生、调制和检测，也为通信和传感开辟了新的传输窗口。 [0003] 与非晶和多晶形态半导体相比，单晶形态的半导体具有更为优良的光学特性和电学特性。在制备高灵敏度激光器、调制器以及光电探测器领域拥有着广阔的应用前景。目前制备半导体芯光纤主要有高压化学气相沉积法(HPCVD)和熔芯法(MCD)两种方法。2006年，英国南安普顿大学最早在微结构光纤中，用HPCVD制作了不同半导体材料芯的光纤；2008年，美国克莱姆森大学的J.Ballato课题组用MCD法首次将半导体材料引入传统的光纤结构，X射线衍射(X‑raydiffraction，XRD)和拉曼光谱测试结果显示纤芯结晶度很高，这为半导体芯光纤的商业应用奠定了重要基础；2012年，美国宾夕法尼亚州立大学用HPCVD技术制作非本征半导体芯光纤，成功制备了光纤内的PN结；2014年，弗吉尼亚理工学院和宾夕法尼亚大学合作通过MCD法拉制，进行载氢处理，并通过溶液掺杂技术在掺磷硅芯光纤中掺杂元素硼制得了含PN结的光纤；2017年，来自南洋理工大学与麻省理工大学的团队通过MCD法制备了带有Pt电极的锗芯光纤，该团队通过后期热处理把制备好的锗芯光纤的纤芯从内部融化成晶体小球，并与锗芯接触，在锗芯光纤的内部制备了光电器件。 [0004] 但是这两种方法制备的半导体芯光纤器件大部分为多晶和非晶结构，这种结构的纤芯内存在较高的缺陷密度，影响了光纤器件性能，从而使半导体芯光纤器件在实际运用领域受到很大的限制，因此优化半导体芯光纤器件的制备方法对半导体芯光纤器件的应用有着深远的意义。 发明内容[0005] 本发明的目的在于针对已有制备技术存在的不足，提供了一种基于离子注入和CO2激光热处理的制备含PN结单晶半导体芯光纤器件及其制备方法。将单晶材料PN结制备在光纤内，更有利于拓展光纤在现代信息技术的应用领域。单晶的半导体芯会使器件的性能和质量有很大的改善。同时，此方法具有很高的可定制性，能够结合实际需要制备出相应的含PN结半导体芯光纤器件。 [0006] 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案： [0007] 一种含PN结的单晶半导体芯光纤器件，在N型半导体材料上通过离子注入三价元素形成PN结，再由CO2激光照射后制备光纤包层，形成光纤内单晶PN结器件。 [0008] 优选地，所述N型半导体材料为硅或锗。 [0009] 优选地，所述N型半导体材料为单晶半导体棒，由较粗的单晶半导体棒腐蚀而成。 [0011] 优选地，所述玻璃毛细管为硼硅酸盐玻璃毛细管。 [0012] 优选地，所述玻璃毛细管分别为内径300μm、500μm、750μm，外径500μm、700μm、1000μm的玻璃毛细管。 [0013] 一种本发明所述的含PN结的单晶半导体芯光纤器件的制备方法，步骤如下： [0014] 1)单晶半导体芯的制备： [0015] 采用湿法腐蚀方法对相对较粗的单晶N型半导体棒进行腐蚀处理，得到小直径的单晶棒；配置质量分数为50％的NaOH碱性腐蚀溶液，按配比称取原料溶于去离子水中，搅拌均匀；将单晶N型半导体棒放入其中，在80℃恒温条件下进行腐蚀，腐蚀过程中每隔3～5分钟加入0～5mL的质量百分比浓度为30％浓度的H2O2溶液，4‑6h后取出；用HF溶液进行清洗后置于去离子水中再清洗，随后干燥保存； [0016] 2)PN结的制备： [0017] 将腐蚀过的单晶半导体芯放入离子注入机下，通过选择注入的三价离子，以30keV15 2 的能量和1×10 cm的剂量将其注入到半导体芯表面约50nm处，由于高能离子注入半导体芯后与靶原子发生一系列碰撞，使靶原子发生位移，被位移原子把能量依次传递给其他原子，从而产生一系列的空位间隙，引起晶格损伤，因此需要通过退火消除晶格损伤；将半导体芯放入不低于450℃的马弗炉中进行退火热处理至少10分钟； [0018] 3)光纤包层的制备： [0019] 选择玻璃毛细管和相适应的含PN结单晶半导体芯，将半导体芯放入玻璃毛细管中平放在钢板上置于CO2激光器实验台，打开激光器软件ZCAD V2.12.0中的红光标记，调整红光区域使其完全覆盖在玻璃毛细管表面，同时打开CO2激光器工控机上的激光焦距调节软件进行红光焦距调整，使激光均匀地聚焦覆盖在玻璃毛细管的表面，调节红光后返回CO2激光器软件，关闭红光标记；因为低功率相对安全，控制实验设置百分比激光功率为10％～20％，扫描速度为2mm/s，佩戴激光防护镜，拉下激光工控机上的激光防护罩，开始激光照射；一般情况下扫描过程中能看到毛细管微微发亮，到有纤芯处亮度会变大些；激光扫描一次后观察玻璃毛细管的状态，根据需要再扫描一次；不同尺寸和形态的光纤通过改变步骤 1)中的操作和选取不同尺寸的毛细管得到。 [0020] 优选地，获得不同尺寸和形态的光纤，可通过改变步骤1)中的操作和在步骤3)中的选取不同尺寸的毛细管得到。 [0021] 优选地，在所述步骤2)中，半导体芯退火的方法如下： [0022] 将半导体芯放入马弗炉中优化改性，设置马弗炉的平均升/降温速率不高于10℃/min，设置退火程序，进行10～20分钟的退火，待马弗炉降温至不高于200℃，用长钳快速将半导体芯取出。 [0023] 本发明与现有技术比较，本发明具有如下显而易见的突出的实质性特点和显著的优点： [0024] 1、在本发明中，PN结与光纤的结合使电子器件的功能以更灵活的方式延伸到了光纤领域，为制备高灵敏度柔性光电探测器打下了坚实基础，同时也进一步拓宽了光电器件的应用领域； [0025] 2、在本发明中，半导体芯呈单晶状态，能够充分发挥单晶半导体优异的光电性能，大大降低了器件在红外波段的传输损耗，使半导体芯器件的质量达到质的飞跃； [0026] 3、与其他技术结合退火处理制备出的光纤相比，本发明过程简单快速，且有批量生产的潜力，大大减少了实验和生产成本； [0028] 图1为本发明优选实施例的含PN结的单晶半导体芯结构示意图。 [0029] 图2为本发明优选实施例的离子注入系统结构示意图。 [0030] 图3为本发明优选实施例的CO2激光器装置结构示意图。 [0031] 图4为本发明优选实施例采用的马弗炉装置图。 [0032] 图5为本发明优选实施例采用的水浴锅装置图。 [0033] 图6为本发明优选实施例的IV特性测试数据图。 具体实施方式[0034] 以下结合附图对本发明的具体实施例做更为详细地描述，但本发明的实施方式不限于此，对未特别说明的工艺参数，可参照常规技术进行。 [0035] 实施例一 [0036] 在本实施例中，一种含PN结的单晶半导体芯光纤器件，在N型半导体材料上通过离子注入三价元素形成PN结，再由CO2激光照射后制备光纤包层，形成光纤内单晶PN结器件。 [0037] 所述N型半导体材料为锗。所述N型半导体材料为单晶半导体棒，由较粗的单晶半导体棒腐蚀而成。所述光纤包层的材料为软化温度较低的玻璃毛细管，玻璃毛细管的尺寸根据需要进行定制选择。所述玻璃毛细管为硼硅酸盐玻璃毛细管。所述玻璃毛细管分别为内径300μm、500μm、750μm，外径500μm、700μm、1000μm的玻璃毛细管。如图1所示，为本实施例的含PN结的单晶半导体芯结构示意图。光纤内单晶PN结器件的半导体芯呈单晶状态，为单晶锗芯器件，包层由玻璃毛细管收缩而成，有良好的芯包结构。 [0038] 利用本实施例PN结的单晶半导体芯光纤器件作为样本，进行CO2激光器百分比功率测试，激光峰值功率百分比和实测功率的线性拟合和中间功率重合度很好。如图6所示，本实施例单晶形态的半导体具有优异的电学性能和光学性能，较少的缺陷能够使损耗降到极小值。单晶形态的半导体掺杂后拥有更高的载流子寿命，能大大提升半导体器件的光电性能，就光电池器件而言，单晶的初始光衰和长期衰减比较稳定，光电转换效率更高。 [0039] 实施例二 [0040] 本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于： [0041] 在本实施例中，所述N型半导体材料为硅。光纤内单晶PN结器件的半导体芯呈单晶状态，为单晶硅芯器件，包层由玻璃毛细管收缩而成，有良好的芯包结构。利用本实施例PN结的单晶半导体芯光纤器件作为样本，进行CO2激光器百分比功率测试，激光峰值功率百分比和实测功率的线性拟合和中间功率重合度很好。本实施例单晶形态的半导体具有优异的电学性能和光学性能，较少的缺陷能够使损耗降到极小值。单晶形态的半导体掺杂后拥有更高的载流子寿命，能大大提升半导体器件的光电性能，就光电池器件而言，单晶的初始光衰和长期衰减比较稳定，光电转换效率更高。 [0042] 实施例三 [0043] 在本实施例中，采用上海三克激光公司生产的SK‑3D 30型CO2激光器，激光波长为10.6μm，光斑直径为1mm，激光输出功率为30W，扫描速度3000mm/s以下。装置示意图如图3所示。以单晶锗芯器件的制备为例，具体过程如下： [0044] 1)单晶锗芯的制备： [0045] 采用湿法腐蚀方法对相对较粗的单晶锗棒进行腐蚀处理，得到尺寸较细的丝材料；首先配置质量分数为50％的NaOH碱性腐蚀溶液，用电子秤称取优级纯GR 95％的NaOH固体6g，将其溶于12mL的去离子水中，该溶液置于塑料试管中，搅拌均匀；将锗棒放入其中，在80℃恒温水浴锅中进行腐蚀，如图5所示，腐蚀过程中每隔3～5分钟加入5mL的30％浓度的H2O2溶液，4～6h后取出；取出后用HF溶液进行清洗后置于去离子水中再清洗，随后干燥保存； [0046] 2)PN结的制备： [0047] 将腐蚀过的单晶锗芯放在离子注入机内，如图2所示，用一个特定工件将锗芯两端15 2 固定，选择30keV的能量和1×10 cm的剂量将其注入到锗芯内，注入时工件控制锗芯进行+ 360°转动，使其柱面均匀注入Al，由于高能离子注入锗芯后与靶原子发生一系列碰撞，可能使靶原子发生位移，被位移原子还可能把能量依次传递给其它原子，从而产生一系列的空位间隙，引起晶格损伤，需要通过退火消除晶格损伤；将锗芯放入马弗炉中，马弗炉采用上海钜晶SXL‑1700C，如图4所示，马弗炉的平均升/降温速率为10℃/min，拧动钥匙，设置退火程序，C01‑C04依次表示初始温度、目标温度、目标温度和结束温度，分别设为50℃、450℃、450℃、200℃，t01‑t04依次表示初始温度到目标温度所需时间、在目标温度需保持的时间、目标温度到结束温度所需时间以及结束程序的标志，分别设为40min、15min、25min、‑ 121min，启动程序，进行15分钟的退火，待马弗炉降温至200℃，用长钳快速将锗芯取出； [0048] 3)光纤包层的制备： [0049] 选择合适的玻璃毛细管和相适应的含PN结单晶锗芯，将锗芯放入玻璃毛细管中平放在钢板上置于CO2激光器实验台，如图3所示，打开激光器软件ZCAD V2.12.0中的红光标记，调整红光区域使其完全覆盖在玻璃毛细管表面，同时打开CO2激光器工控机上的激光焦距调节软件进行红光焦距调整，使激光均匀地聚焦覆盖在玻璃毛细管的表面，调节红光后返回CO2激光器软件，关闭红光标记；因为低功率相对安全，控制实验设置百分比激光功率为18％，扫描速度为2mm/s，佩戴激光防护镜，拉下激光工控机上的激光防护罩，开始激光照射。一般情况下扫描过程中能看到毛细管微微发亮，到有纤芯处亮度会变大些。激光扫描一次后观察玻璃毛细管的状态，可根据需要再扫描一次。不同尺寸和形态的光纤可通过改变步骤1)中的操作和选取不同尺寸的毛细管得到。 [0050] 在频谱资源分配越来越紧张的今天，由于硅、锗等半导体材料在中红外波段具有较宽的传输窗口、较低的传输损耗和稳定的机械、化学特性，使其成为新型纤芯材料的合适选择。这些材料的高折射率和光学非线性对光纤全光信号处理和频率生成十分有效。本发明上述实施例高质量的半导体芯光纤具有构建光纤内高效光学系统的潜力，在一根光纤中进行光的产生、调制和检测，也为通信和传感开辟了新的传输窗口。单晶形态的半导体缺陷浓度低，掺杂后拥有更高的载流子寿命和迁移率，能大大提升半导体器件的光电性能，更有利于制备高性能激光器、调制器以及光电探测器，拥有着广阔的应用前景。本发明在光纤内部制备单晶PN结，为高质量的光纤内光电器件的制备提供了一种有效方法。 [0051] 上述实例为本发明中较为成熟的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，在其他未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变材料，器件尺寸优化，激光扫描速度变化等有效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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