Усиленное поглощение в ближнем ИК при двухступенчатом создании структурированного черного кремния и его применение в фото детекторах

Аннотация

Кремний является основой полупроводниковой промышленности, но его высокая отражательная способность и широкая запрещенная зона ограничивают производительность в ближнем ИК (NIR). В этой работе применяется двухступенчатый подход — глубокое реактивное ионное травление (DRIE) с последующей плазменной имплантацией ионов (PIII) — для создания микроструктурированного черного кремния (BSi) на монокристаллическом кремнии (C-Si). Серистое легирование сужает запрещенную зону и резко повышает поглощение, особенно в диапазоне 800–2000 нм, с максимумом 83%. При интеграции в качестве задней поверхности Si-PIN фотодиода, слой BSi обеспечивает фотосильность 0,53 А/Вт при 1060 нм, демонстрируя потенциал для высокочувствительного NIR-детектирования.

Введение

Микро- и наноструктурированный черный кремний стал фокусом для усиления поглощения света во видимом и NIR диапазонах. DRIE — циклическая техника травления-пассивации с использованием SF₆ для изотропного травления и C₄F₈ для пассивации боковин — позволяет создавать высокоаспектные структуры, геометрия которых определяется размерами маски, расходами газов, мощностью электродов и длительностью цикла. Последующая имплантация ионов легирует травленный кремний, вводя атомы серы, которые создают суб-зонные состояния и расширяют спектр поглощения. Такие инженерированные поверхности находят применение в чувствительных фото детекторах, фотоэлектрических элементах, биохимических сенсорах, дисплеях и оптической связи. В нашем раннем исследовании мы изучали Si-PIN детектор с передней поверхностью BSi, заметив компромисс между NIR-чувствительностью и фотосильностью в видимом из-за проблем сбора носителей. Это побудило к текущему исследованию BSi на задней поверхности для одновременного усиления NIR и сохранения приемлемой видимой производительности.

Статья посвящена усилению поглощения и сужению запрещенной зоны, достигнутым двухступенчатым процессом DRIE–PIII. Анализируется влияние параметров травления на поглощение в диапазоне 400–2000 нм и оценивается Si-PIN детектор с задней поверхностью BSi по фотосильности в диапазоне 400–1100 нм.

Методы

Оптические моделирования (FDTD) для равномерных периодических цилиндрических массивов (диаметр D=4 мкм) с разным центром-с-центром расстоянием (T₁=12, T₂=10, T₃=8, T₄=6 мкм) показали оптимальную геометрию. На основе симуляций спроектировали три фото литографические маски: маска I (D=4 мкм, T=6 мкм), маска II (D=4 мкм, T=8 мкм), маска III (D=4 мкм, T=10 мкм). n-тип кремниевый вефер 15×15 см² (толщина 500 мкм, удельное сопротивление 2500–3000 Ом·см) покрыли фоторезистом NR9-1500PY и структурировали круговыми массивами. Травление в камере DRIE (ICP-100D) циклами SF₆ (травление) и C₄F₈ (пассивация) на 30, 70 или 100 повторений. После травления остаточный фоторезист удалили кислородной плазмой. Для усиления NIR-поглощения образцы по маске III подвергли PIII с дозой серы 1,0×10¹⁵ см⁻² при 800 эВ.

Морфологию изучали полевими SEM (JSM-7500F). Поглощение измеряли при комнатной температуре NIR2500 спектрометром с интегрирующей сферой (IS-20-5). Фотосильность детектора определяли с измерителем оптической мощности OPHIR Vega, оптическим чоппером Scitec Instruments (Model-300CD) и Keithley 2636B в темноте. Все измерения калибровали и повторяли на 4–6 образцах.

Результаты и обсуждение

SEM-изображения (рис. 3) выровненных микроструктурных массивов для трех масок показывают, что вид сверху отклоняется от идеальных кругов из-за взаимодействия DRIE и точности маски. Глубина травления растет с числом циклов: ~1,87 мкм (30), 2,35 мкм (70), 3,15 мкм (100). Боковое травление, несмотря на пассивацию, приводит к слегка коническим столбам, что подтверждает необходимость тонкой настройки литографии и циклов для оптимальной морфологии.

Поперечные сечения (рис. 4) подтверждают прогрессивный рост высоты столбов с числом циклов. Хотя пассивационный слой DRIE защищает боковины, некоторое боковое травление остается, влияя на итоговую форму.

Рис. 5a показывает поглощение микроструктурных массивов без PIII. По сравнению с голым C-Si, травленные массивы усиливают поглощение по всему диапазону 400–2000 нм, образец на 100 циклов достигает до 70% в NIR. Множественные внутренние отражения внутри столбов увеличивают оптический путь, усиливая поглощение. Однако поглощение выше 1000 нм остается скромным, что мотивировало серное легирование. После PIII (рис. 5b) наблюдается выраженное увеличение поглощения по всему спектру. Пиковое поглощение 100-циклового образца поднимается до 83%, среднее — 62%. Серная имплантация вводит примесные зоны, перекрывающиеся, сужающие эффективную запрещенную зону и позволяющие поглощение суб-зонных фотонов. Это видно из снижения запрещенной зоны с 1,12 эВ (C-Si) до 1,045, 1,033 и 1,025 эВ для 30, 70 и 100 циклов соответственно (рис. 7). Анализ использовал теорию Кубелки-Мунка и графики Тауца. Рис. 6 иллюстрирует механизм многократных отражений внутри массива столбов, объясняющий усиленное поглощение.

Интеграция задней поверхности BSi в Si-PIN фотодиод (рис. 8a) включала: (1) оксидацию обеих сторон монокристаллического n-тип вефера; (2) диффузию бора для формирования P-слоя спереди; (3) осаждение Si₃N₄ и полировку задней стороны до ~200 мкм; (4) легирование N⁺-слоя и выращивание столбов BSi на нем; (5) структурирование металлических контактов. Устройство 2 с фоточувствительной площадью 2 мм диаметром демонстрирует темновой ток, сравнимый с коммерческими Si-PIN фотодиодами. Под излучением 1060 нм его фотосильность достигает 0,53 А/Вт, что значительно превосходит коммерческий S1336-44BK (устройство 1). Фотосильность устройства 2 в диапазоне 680–1100 нм превосходит устройство 1 на ~60 нм, подтверждая эффективность задней поверхности BSi для расширения NIR-чувствительности.

Ограниченное улучшение фотосильности в видимом для устройства 2 объясняется тем, что фотоны выше запрещенной зоны C-Si поглощаются в переднем P-слое, делая заднюю BSi поверхность нерелевантной для сбора носителей. В отличие от этого, NIR-фотоны проникают через передний слой, поглощаются в N-слое, и порожденные носители эффективно собираются N⁺-контактом при обратном смещении, давая существенный прирост фотосильности.

Хотя работа демонстрирует жизнеспособный путь к NIR-усиленным фотодиодам, дальнейшая оптимизация параметров DRIE, энергий имплантации и архитектуры устройств может дать еще более высокую производительность и широкую применимость.

Заключение

Мы успешно изготовили микроструктурированный черный кремний двухступенчатым процессом DRIE–PIII. Три геометрии столбов (маска I: D=4 мкм, T=6 мкм; маска II: D=4 мкм, T=8 мкм; маска III: D=4 мкм, T=10 мкм) дали высоты 1,87; 2,35; 3,15 мкм соответственно. Эти структуры достигли пикового поглощения 83% и среднего 62% в диапазоне 400–2000 нм, благодаря увеличению оптического пути и сужению запрещенной зоны серным легированием. Включение BSi в качестве задней поверхности Si-PIN фотодиода дало фотосильность 0,53 А/Вт при 1060 нм и 0,31 А/Вт при 1100 нм, заметно превосходя коммерческий детектор S1336-44BK в NIR. Этот подход предлагает перспективный путь к высокочувствительным NIR-фото детекторам.