1 南京航空航天大学 航天学院，江苏 南京 211106
2 安徽北方微电子研究院，安徽 蚌埠 233000
硅基光电子与CMOS工艺兼容，借助成熟的微电子加工工艺平台可以实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势。其中，硅基半导体探测器是目前应用最为广泛的可见光波段探测设备，将其工作频段拓展到近红外波段具有重要意义。由于硅的禁带宽度，硅基材料在近红外波段电磁波吸收存在明显限制，硅基探测器在近红外波段的应用受到挑战。根据纳米金属粒子发生局域表面等离子共振时产生的近场增强效应，提出了一种纳米金属粒子梯度掺杂的硅基结构。通过应用等效介质理论，模拟了复合硅基结构在可见光与近红外波段的吸收特性。结果表明：该结构在近红外波段具有电磁波吸收提升效果，并且当选择纳米金粒子梯度递增掺杂时，可以在610~1450 nm波段提升吸收性能，最高提升可达到10.7 dB。所提出的结构可以有效增强硅基材料在近红外波段的吸收效率，研究结果为硅基半导体探测器在近红外波段的应用提供了重要参考。
超材料 梯度掺杂 等效介质理论 近红外吸收增强 metamaterials gradient doping effective medium theory near infrared absorption enhancement 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230519
1 河北工业大学先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
针对梯度掺杂晶体和均匀掺杂晶体，采用数值模拟的方式分析了泵浦光束腰半径、光束质量因子（）与束腰位置对模式匹配效率的影响，并通过实验验证了不同束腰位置对激光器输出功率的影响。由计算结果得到，在不同的泵浦光参数下，与均匀掺杂晶体相比，梯度掺杂晶体均具有更稳定的模式匹配；当泵浦光为10和50，束腰半径为0.5 mm时，对于任意位置的束腰，梯度掺杂晶体的模式匹配效率都高于均匀掺杂晶体。在实验上对比分析了泵浦光不同束腰位置的输出功率，结果表明，梯度掺杂晶体的模式匹配效率受泵浦光束腰位置的影响较小。当晶体位于谐振腔中心时，在高于70 W的泵浦条件下，梯度掺杂晶体的输出功率高于均匀掺杂晶体，最高输出功率为44.8 W，与均匀掺杂晶体相比，提高了4.67%；当晶体紧贴输入镜时，梯度掺杂晶体的最高输出功率为34.0 W，与均匀掺杂晶体相比，提高了11.84%。因此，梯度掺杂晶体更适用于高功率泵浦。
激光器 梯度掺杂晶体 模式匹配 激光器理论 端面泵浦 高功率激光
1 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065
2 长春理工大学物理学院，吉林 长春 130022
为获得高增益的电子轰击型CMOS（EBCMOS）成像器件，根据载流子输运理论，采用蒙特卡罗方法，研究了EBCMOS基底在不同掺杂方式和结构参数下的电荷收集效率。结果表明：当基底均匀掺杂时，减小掺杂浓度、降低基底厚度及缩小近贴距离可以有效提高电荷收集效率；当基底梯度掺杂时，减小重掺杂浓度区域的范围，可以有效提高电荷收集效率。仿真优化后器件的电荷收集效率最高可达到86.28%，为国产EBCMOS器件的研制提供了理论支撑。
光学器件 夜视技术 电子轰击型CMOS 电荷收集效率 梯度掺杂
1 1.南京理工大学 材料科学与工程学院, 南京 210094
2 2.罗斯国家科学院 材料科学与应用研究中心, 明斯克 220072, 白俄罗斯
BiFeO3是一种非常有前途的无铅铁电材料, 与大多数传统铁电材料相比, 它具有更大的极化和更高的居里温度, 为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响, BiFeO3薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上生长了BiFeO3薄膜, 向上梯度薄膜(从衬底BiFeO3过渡到薄膜表面Bi0.80Ca0.20FeO2.90)以及向下梯度薄膜(从衬底Bi0.80Ca0.20FeO2.90过渡到薄膜表面BiFeO3)。通过细致地调控薄膜内部缺陷的定向分布形成内置电场，从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明：在BiFeO3薄膜中, Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外, 类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。X射线光电子能谱结果表明, 氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是造成自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略, 并在以自极化的内置电场为驱动, 提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。
自极化 梯度掺杂 铁酸铋薄膜 溶胶-凝胶法 self-polarization gradient doping bismuth ferrite film Sol-Gel method
1 中国科学院 上海高等研究院，上海 201210
2 中国科学院大学，北京 100049
基于菲克定律和电子漂移理论，对离子注入和扩散全过程进行深入理论分析，提出了一种高效的任意梯度掺杂分布的实现方法。以实现线性梯度掺杂分布为例，分别通过模拟计算和工艺仿真验证了该方法的正确性。通过该方法，可以精确地计算离子注入能量、注入剂量，以及热扩散需要的时间等工艺参数，进而针对目标掺杂分布设计特定结构的光刻掩模板，只通过一次离子注入，即可制造具有任意分布函数的掺杂区域。应用该方法设计了一个具有梯度掺杂Photodiode的5 μm CMOS图像传感器像素，与同条件下传统工艺的像素进行对照实验，实验结果表明具有梯度掺杂Photodiode的像素内部光生电荷传输效率提升显著；在控制除了Photodiode以外的其他区域结构完全一致的条件下，应用本文方法设计的像素与传统工艺设计的像素相比，在复位阶段对相同栅极电压的响应速度提升了10倍，满阱容量与动态范围提升了20%。
梯度掺杂 像素 CMOS图像传感器 热扩散 电荷转移 Gradient doping Pixel CMOS image sensor Thermal diffusion Charge transfer
设计了电子倍增层的多种表层结构, 并模拟分析了表层掺杂分布对电子轰击型CMOS(EBCMOS)成像器件的电荷收集效率的影响。结合离子注入工艺优化设计电子倍增层表层结构, 并利用离子注入模拟软件TRIM模拟分析了不同掩蔽层种类、厚度、离子注入剂量、注入角度和注入能量次数对掺杂分布的影响。再依据载流子传输理论并结合蒙特卡洛模拟方法, 模拟分析了相应结构下EBCMOS中电子倍增层的电荷收集效率。模拟研究结果表明: 通过选择SiO2作为掩蔽层、减小掩蔽层厚度、增加注入能量次数等方法可以提高电荷收集效率。在注入剂量选择方面, 对电子倍增层表层进行重掺杂, 使掺杂浓度下降幅度足够大、下降速度足够缓慢, 也可以有效提高电荷收集效率。仿真优化后表层结构所对应器件的电荷收集效率最高可以达到93.61%。
梯度掺杂 电场分布 电荷收集效率 EBCMOS EBCMOS gradient doping electric field distribution charge collection efficiency
1 商丘师范学院 电子电气工程学院，河南 商丘 476000
2 商丘职业技术学院 机电系，河南 商丘 476000
3 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
利用GaN光电阴极多信息量测试评估系统，对反射式梯度掺杂和均匀掺杂GaN光电阴极样品进行了激活及衰减后的量子效率测试，并测试衰减速率。在同样的衰减时间内，和均匀掺杂样品相比，梯度掺杂样品的衰减比例较小，衰减速率较慢，其原因在于梯度掺杂结构可在其发射层内部产生系列内建电场，致使其能带连续向下弯曲，导致其表面真空能级比均匀掺杂样品下降得更低，发射层表面形成的负电子亲和势更明显，造成发射层内的光生电子更易逸出，阴极量子效率的衰减变慢，从而使其稳定性强于均匀掺杂结构。
氮化镓 光电阴极 梯度掺杂 内建电场 稳定性 GaN photocathode gradient-doping built-in electric field stability
太原科技大学应用科学学院，山西 太原 030024
用AFORS-HET软件对β-FeSi2(n) /c-Si(p)太阳能电池的发射层进行了梯度掺杂模拟，并研究了发射区掺杂总量相同时梯度掺杂和均匀掺杂对电池转化效率的影响。分别讨论了梯度掺杂时发射区的能带、发射区的浓度差、发射区的层数对电池转化效率的影响。实验结果表明，发射区梯度掺杂可以明显提高电池转化的效率。随着发射区各层浓度比的增大，电池转化效率先增大后保持不变；随着发射区层数的增加，电池转化效率先增大后保持不变；随着发射区厚度的增加，电池转化效率逐渐降低。梯度掺杂电池转化效率的提高总量远大于因梯度发射区过厚造成的电池转化效率的降低总量。
梯度掺杂 浓度差 层数 转化效率 AFORS-HET AFORS-HET gradient doping concentration difference layer number conversion efficiency
国防科学技术大学光电科学与工程学院, 湖南 长沙 410073
受激布里渊散射（SBS）效应是限制连续单频光纤激光最大输出功率的主要因素。为抑制增益光纤的SBS效应，通过改变增益光纤的掺杂浓度提出了一种展宽增益光纤的布里渊增益谱，降低布里渊增益系数，从而提高激光输出功率的方法。基于速率方程、热传导和布里渊增益谱计算模型，在增益光纤最高温度基本相同的情况下，对传统恒定掺杂和梯度掺杂方式下增益光纤中的热分布、激光器的输出功率和布里渊增益谱进行了数值模拟。结果表明：相比传统恒定掺杂光纤，设计的梯度掺杂增益光纤将布里渊增益谱展宽了1.2倍，布里渊增益系数降低了41%，SBS阈值功率提高了1.7倍，有效抑制了光纤的SBS效应；降低了增益光纤的熔点温度，提高了光纤激光器的稳定性。
光纤光学 梯度掺杂 受激布里渊散射 温度分布 激光与光电子学进展
2016, 53(7): 070604
1 中国科学院 微电子研究所, 北京100029
2 荷兰国家能源研究中心, 佩腾 荷兰
3 西苏格兰大学 薄膜研究中心, 英国
通过仿真软件AFORS-HET对a-Si∶H(p)/i-a-Si∶H/c-Si(n)异质结太阳能电池的光伏特性进行分析及优化, 主要对比了a-Si∶H(p)层的均匀掺杂和表面掺杂浓度D1=1×1020 cm-3>界面掺杂浓度D2=4×1019 cm-3的梯度掺杂情况时的光伏特性, 实现了在梯度掺杂时22.32%的光电转换效率。与均匀梯度掺杂相比, 发射层的梯度掺杂除了引入一个附加电场, 还优化了能带结构、光谱响应、表面复合速率。结果表明, 梯度掺杂可以有效地改善电池的光电转换性能。
梯度掺杂 光伏特性 能带结构 gradient doping photovoltaic performance band structure AFORS-HET AFORS-HET
