Улучшенная ближняя инфракрасная производительность фото диодов из сероводород-легированного кремния, изготовленных фемтосекундным лазерным импульсным плавлением

Аннотация

Изотонически-медированный ближний инфракрасный (БИК) фотоотклик в кремнии — ключевая цель для фотоэлектрики и фотодетекторов следующего поколения. В этом исследовании мы изготовили серию n⁺/p фото диодов, комбинируя ионную имплантацию серы с фемтосекундным импульсным лазерным плавлением (PLM). Полученные гипердопингированные кремниевые устройства демонстрируют удивительное увеличение БИК абсорбции и фототока. Устройство, имплантированное при 1×10¹⁴ ионов·см⁻², показало лучшую производительность, демонстрируя, что умеренная доза допинга, в сочетании с PLM, может дать недорогие широкополосные кремниевые фотодетекторы.

Введение

Конвенциональный кремний страдает от 1,12 эВ запрещенной зоны, ограничивающей его внутреннюю БИК чувствительность. Многочисленные стратегии — от текстурирования поверхности до суб-зонального допинга — исследовались для преодоления этого барьера. Прорыв халькоген-насыщенного кремния, достигнутый лазерным облучением в атмосфере SF₆, показал, что кремний можно допингировать сверх равновесной растворимости, создавая примесные зоны, поглощающие ниже запрещенной зоны. Конусовидные микроструктуры, формирующиеся при лазерном плавлении, дополнительно улучшают светозахват, повышая эффективность поглощения. Развивая эти концепции, мы спроектировали сероводород-легированный кремний через ионную имплантацию с последующим фемтосекундным PLM и оценили электрический и оптический отклик n⁺/p переходных фотодетекторов.

Методы

Односторонне полированные p-типа (100) кремниевые подложки (300 мкм толщиной, 8-12 Ом·см удельное сопротивление) имплантировали 1,2 кэВ ³²S⁺ ионами на глубину ~40 нм. Дозы имплантации 1×10¹⁴, 1×10¹⁵ и 1×10¹⁶ ионов·см⁻² использовались. PLM выполняли 1 кГц серией 100 фс, 800 нм импульсов при флюенсе 0,5 Дж·см⁻²; 200 мкм лазерный спот сканировали для паттернирования 10×10 мм квадратов. Быстрый термический отжиг при 600 °C 30 мин в N₂ завершал процесс.

Абсорбция (A) выводили из рефлектометрии (R) и транспарентности (T), измеренных UV-Vis-NIR спектрофотометром (Shimadzu UV3600) с интегрирующей сферой (A = 1 - R - T). Концентрацию носителей и подвижность получали комнатным Холл-эффектом (метод ван дер Пау). Для зондирования примесного суб-зонального поглощения использовали Фурье-преобразование фототоковой спектроскопии с модулированным FTIR глобаром и lock-in детекцией.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает, что PLM драматически повышает абсорбцию во видимом и БИК диапазонах по сравнению с как-имплантированными образцами. Отжиг, однако, снижает БИК поглощение из-за двух основных механизмов: (1) эрозия конусовидных наноструктур уменьшает светозахват, и (2) атомы серы оптически инактивируются через перестроение связей. Микроструктурированная поверхность таким образом играет ключевую роль в усиленном БИК отклике.

a-c Абсорбция в зависимости от процесса фабрикации и дозы имплантации. d Примесная зона внутри запрещенной зоны Si, обеспечивающая суб-зональное поглощение. e РЭМ изображение кремниевых игл. f Оптический путь на микроструктурированной поверхности.

Поскольку поверхностная топология идентична для всех образцов, БИК абсорбция в основном зависит от концентрации серы. Ранняя работа выявила серный уровень при ~614 мэВ, который лежит в основе выраженного БИК поглощения. До отжига абсорбция относительно нечувствительна к дозе: 10¹⁶ и 10¹⁵ ионов·см⁻² дают похожие значения, в то время как 10¹⁴ ионов·см⁻² показывает небольшое снижение. После отжига падение абсорбции атрибутируется диффузии допинга к границам зерен и формированию серно-дефектных кластеров, уменьшающих плотность активной примесной зоны.

a Абсорбция в зависимости от дозы ионной имплантации (PLM-обработанные). b Электрические свойства микроструктурированного кремния до и после отжига.

Поверхностная плотность носителей растет с дозой, в то время как подвижность падает, согласуясь с Шокли-Рид-Холл рекомбинацией: более высокие уровни допинга сокращают время жизни носителей, повышая вероятность рекомбинации. Отжиг драматически снижает поверхностную плотность из-за термической диффузии.

Рис. 3 представляет спектры фотоотклика. Отчетливый пик около 960 нм отражает генерацию электронно-дырочных пар в кремниевой подложке, экстрагируемых встроенным полем n⁺/p перехода. В БИК диапазоне (1100-1600 нм) устройство при 10¹⁴ ионов·см⁻² превосходит более высокие дозированные аналоги, достигая наивысшего фототока. Холл-данные показывают объемную концентрацию ~10¹⁹ см⁻³ и лучшую подвижность при этой дозе, подтверждая, что оптимальный компромисс между примесным поглощением и переносом заряда дает превосходную производительность устройства.

Фотоотклик n⁺/p детекторов при разных дозах. Вставка: компоновка устройства с интердивигированными контактами на микроструктурированной поверхности.

Заключение

Наше систематическое исследование демонстрирует, что сероводород-гипердопинг через ионную имплантацию с последующим фемтосекундным PLM значительно улучшает БИК абсорбцию кремния и производительность фотодетекторов. Устройство, имплантированное при 1×10¹⁴ ионов·см⁻², продемонстрировало наивысший фотоотклик, подтверждая критический баланс между примесным поглощением и подвижностью носителей. Этот масштабируемый, низкозатратный подход проложит путь к широкополосным кремниевым фото диодам для интегрированной фотоники и энергетического сбора.