Оптические и электронные свойства фемтосекундных лазерно-индуцированных гипердопированных серой кремниевых N + / P-фотодиодов

Фон

Традиционные устройства на основе кремния не могли показать желаемый фотоотклик в ближнем ИК-диапазоне из-за ограничения оптической ширины запрещенной зоны (1,12 эВ) кремния [1], и было предпринято много попыток повысить коэффициент поглощения кремниевого материала, особенно на длинах волн ближнего ИК-диапазона [2,3, 4,5,6,7,8,9]. Открытие пересыщенного халькогеном кремния, полученного лазерным облучением в SF ₆ Атмосфера продемонстрировала подход к увеличению субзонного поглощения [10, 11]. В этом процессе материал может быть легирован сверх предела растворимости [12]. Кроме того, эффект захвата света, вызванный уникальной структурой заостренного конуса на поверхности кремния, также увеличивает эффективность поглощения света [13]. В данной работе мы получили гипердопированный кремний, полученный ионной имплантацией и фемтосекундным импульсным лазером. Измерения Холла проводились для измерения электрических свойств гипердопированного кремния. Фотоприемники на базе n ⁺ Переход / p продемонстрировал высокие характеристики как по поглощению в ближнем ИК-диапазоне, так и по фотоответу.

Методы

Односторонние полированные пластины кремния [100] p-типа (300 мкм) с удельным сопротивлением 8–12 Ом · см были ионно имплантированы с током 1,2 кэВ ³² S ⁺ на глубину примерно 40 нм при комнатной температуре. Дозы имплантации составляли 1 × 10 ¹⁴ , 1 × 10 ¹⁵ , и 1 × 10 ¹⁶ ионов / см ² . Импульсное лазерное плавление (ИЛМ) осуществлялось серией фемтосекундных лазерных импульсов 800 нм с частотой 1 кГц, 100 фс и плотностью энергии 0,5 Дж / см ² . . Затем лазерное пятно диаметром 200 мкм фокусируется на кремнии и формирует квадратные участки размером до 10 мм × 10 мм. Быстрый термический отжиг (RTA) был реализован при 600 ° C в течение 30 мин в N ₂ атмосфера.

Мы определили коэффициент поглощения ( A ) образцов путем измерения отражательной способности ( R ) и коэффициент пропускания ( T ) с помощью спектрофотометра UV-Vis-NIR (UV3600, Shimadzu, Tokyo, Japan), оснащенного детектором интегрирующей сферы [3]. Поглощение рассчитывали по A =1- R - Т . Концентрация и подвижность носителей измерялись системой измерения эффекта Холла при комнатной температуре (методом Ван-дер-Пау) [14]. Чтобы исследовать, увеличивает ли примесная / промежуточная полоса (IB), образованная примесями серы в кремнии, субзонный фотоотклик, мы использовали метод спектроскопии фототока с преобразованием Фурье, как описано в [4]. [15, 16], где глобарный источник света с прерывистой ИК-спектроскопией фокусируется на образце, а генерируемый фототок затем демодулируется внешним синхронизирующим усилителем и, наконец, подается обратно на внешний порт ИК-Фурье-спектрометрии.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 показана абсорбционная способность образцов кремния, имплантированных при различных дозах. Образцы, обработанные с помощью PLM, показали наивысшее поглощение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, тогда как имплантированные образцы показали самое низкое поглощение. Однако процесс отжига снижает поглощение в ближней ИК-области спектра. Высокое поглощение микроструктурированного кремния в видимой и ИК-области спектра объясняется следующими причинами:примесной полосой, вызванной гипердопированием, и эффектом захвата света, создаваемым микроструктурированной поверхностью. Как показано на рис. 1d, в кремнии формируется примесная полоса, индуцированная легирующими добавками, которая отвечает за субзонное поглощение [17]. Следовательно, гипердопированный кремний показывает высокое поглощение в ближнем инфракрасном диапазоне. Между тем, лазерное плавление восстанавливает поверхность кремния и создает массив конусов, который приводит к многократному отражению и поглощению [13], как показано на рис. 1e, f. Обработанный отжиг, очевидно, снижает коэффициент поглощения в ближнем ИК-диапазоне длин волн, что в основном вызвано двумя аспектами:(1) аннигилирует наноструктуры на поверхности кремния, уменьшая эффект захвата света [18]; и (2) приводят к перегруппировке связей в кремниевой матрице, которая оптически инактивирует примеси серы [11].

а - c Зависимость абсорбции от различных процессов изготовления при различных дозах имплантации. г Примесная полоса, расположенная в запрещенной зоне Si, способствует генерации носителей, которые участвуют в поглощении фотонов с более низкой энергией. е Сканирующая электронная микрофотография кремниевых шипов. е Изображение оптического пути на микроструктурированной поверхности

Из-за схожей структуры поверхности, создаваемой одинаковыми параметрами лазера, интенсивность поглощения в ближнем ИК-диапазоне в основном зависит от уровней примеси легирующей примеси [19]. Ранее мы проиллюстрировали возможные уровни энергии, связанные с S, соответствующие спектральным особенностям фотоотклика [20]. Он показал, что большое усиление, наблюдаемое в ближней ИК-области, зависит от уровня энергии, связанного с S (~ 614 мэВ), что значительно увеличивает поглощение в субзонной зоне. До процесса отжига абсорбция не претерпевает резких изменений по отношению к дозе легирования, как показано на рис. 2а. Микроструктурированный кремний с 10 ¹⁶ и 10 ¹⁵ ион / см ² доза имплантации показывает аналогичную абсорбцию, а образец имплантирован при 10 ¹⁴ ионов / см ² показывает незаметное снижение. Мы считаем, что более низкое поглощение отожженных образцов в ближнем ИК-диапазоне может быть связано с двумя аспектами. M. A. Sheehy et al. [21] предположили, что уменьшение поглощения ниже запрещенной зоны после процесса отжига объясняется диффузией из кристаллических зерен к границам зерен пересыщенных примесей и дефектов. Эти дефекты включают вакансии, оборванные облигации и плавающие облигации. Как только дефекты диффундируют к границам зерен, они больше не будут вносить вклад в примесные полосы в Si, тем самым уменьшая поглощение излучения ниже запрещенной зоны. Более того, в литературе [22] сообщается, что заметного перераспределения S не происходит до тех пор, пока температура отжига не достигнет 650 ° C. Во время этого процесса кажется, что S образует комплекс с кластерами дефектов, что означает, что атомы S будут объединяться друг с другом на поверхности пластины Si. Это явление приводит к снижению концентрации активного легирования.

а Зависимость оптической плотности от различной дозы ионной имплантации. Все образцы были микроструктурированы с помощью PLM. б Электронные свойства эталонного кремния и микроструктурированного кремния для различной дозы ионной имплантации до отжига и одной дозы после отжига

Плотность носителей и подвижность микроструктурированного кремния при различных дозах ионной имплантации показаны на рис. 2б. Очевидно, что плотность листа увеличивается с дозой ионной имплантации, а подвижность уменьшается с увеличением дозы ионной имплантации. Согласно эффекту рекомбинации Шокли-Рида-Холла (SRH), в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной, таких как Si и Ge, время жизни носителей уменьшается с увеличением концентрации примеси [23, 24]. Уменьшение подвижности приводит к увеличению вероятности рекомбинации, поэтому уменьшение подвижности приводит к уменьшению времени жизни электронов, а уменьшение подвижности с увеличением дозы допирования согласуется с эффектом рекомбинации SRH. После отжига плотность носителя листа резко уменьшается из-за эффекта термодиффузии, как мы обсуждали ранее.

На рис. 3 показан фотоотклик при разной дозе легирования, а на вставке - схема фотоприемника n + / p. Фотоотклик в ближнем инфракрасном диапазоне указывает на появление полосы, опосредованной примесями. Выраженный пик примерно на 960 нм соответствует генерации электронно-дырочных пар в кремниевой подложке, разделенных встроенным потенциалом n ⁺ / p переход и собраны на верхнем и нижнем алюминиевых контактах. Это явление хорошо известно как теория гетероперехода в Si-устройствах [25].

Фотоотклик n + / p детекторов с различной дозой ионной имплантации. На вставке показаны вид сверху и разрез устройства. Светло-серым цветом показаны узоры встречно-штыревого контакта на микроструктурированной поверхности и все постоянные контакты на тыльной стороне

Наблюдаемый фотоотклик в ближнем инфракрасном диапазоне связывается с уровнем примеси серы в гипердопированном кремнии. Такие уровни примесей облегчают поглощение в запрещенной зоне ниже, как упомянуто выше. Поглощенный БИК-свет преобразуется в электронно-дырочные пары, что приводит к усилению фотоотклика в БИК-диапазоне (1100 ~ 1600 нм) [20]. Аппарат с имплантационной дозой 10 ¹⁴ ионов / см ² показывает самый высокий фотоотклик в диапазоне длин волн 1010–1100 нм. Был исследован широкий пик, связанный с глубокими уровнями серы в кремнии, обработанном фемтосекундным лазером [20, 26]. Кроме того, мы обнаружили, что устройство с 10 ¹⁴ ионов / см ² показали более высокий фотоответ, чем у тех, у кого 10 ¹⁵ и 10 ¹⁶ ионов / см ² . И измерение Холла показало, что образец имплантирован на 10 ¹⁴ ионов / см ² имел объемную концентрацию 10 ¹⁹ ионов / см ³ . Как показывает эффект рекомбинации СРГ, время жизни носителей заряда зависит от концентрации примеси в кремнии. Э. Мазур пришел к выводу, что образец с 10 ¹⁹ ионов / см ³ Ожидалось, что концентрация легирующей примеси будет показывать более длительный срок службы носителей, чем 10 ²⁰ и 10 ²¹ ионов / см ³ [23]. Результаты наших измерений Холла, образец имплантирован на 10 ¹⁴ ионов / см ² показывает наивысшую мобильность, согласны с заключением. Согласно этой теории, хотя образец с более высокой дозой легирования показывает большее поглощение, все же существует баланс между оптическим поглощением и подвижностью носителей. Как показано на рис. 3, устройство с 10 ¹⁴ ионов / см ² наиболее вероятно, что фотоотклик будет наивысшим, что согласуется с выводом, сделанным в [5]. [23].

Выводы

Мы измерили отклик фотоприемников на основе микроструктурированного кремния с различной дозой ионной имплантации. Включение примесей приводит к значительному увеличению поглощения и фотоотклика в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. И устройство имплантировано на 10 ¹⁴ ионов / см ² показывает самый высокий фотоотклик. PLM в сочетании с ионной имплантацией демонстрирует значительную технику для изготовления детекторов NIR. Этот метод может предложить реальный подход к созданию недорогих широкополосных кремниевых фотоприемников.