Optische und elektronische Eigenschaften von Femtosekundenlaser-induzierten Schwefel-hyperdotierten Silizium-N+/P-Photodioden

Hintergrund

Herkömmliche siliziumbasierte Bauelemente konnten aufgrund der Begrenzung der optischen Bandlücke (1,12 eV) von Silizium keine wünschenswerte NIR-Photoantwort zeigen [1], und es wurden viele Versuche unternommen, die Absorption von Siliziummaterial zu verbessern, insbesondere bei NIR-Wellenlängen [2,3, 4,5,6,7,8,9]. Die Entdeckung von mit Chalkogen übersättigtem Silizium, hergestellt durch Laserbestrahlung in SF₆ Atmosphäre zeigte einen Ansatz zur Verbesserung der Subbandgap-Absorption [10, 11]. Dabei kann das Material über die Löslichkeitsgrenze hinaus dotiert werden [12]. Außerdem erhöht der Lichteinfangeffekt, der durch die einzigartige spitze Kegelstruktur auf der Siliziumoberfläche verursacht wird, auch die Effizienz der Lichtabsorption [13]. In diesem Artikel haben wir hyperdotiertes Silizium hergestellt, das durch Ionenimplantation und gepulsten Femtosekundenlaser hergestellt wurde. Zur Messung der elektrischen Eigenschaften von hyperdotiertem Silizium wurde eine Hall-Messung durchgeführt. Fotodetektoren basierend auf n ⁺ /p-Übergang zeigte hohe Leistungen sowohl bei der NIR-Absorption als auch bei der Photoreaktion.

Methoden

Einseitig polierte Siliziumwafer vom p-Typ [100] (300 μm) mit einem spezifischen Widerstand von 8–12 Ω cm wurden mit 1,2 keV ³² . ionenimplantiert S ⁺ bei Raumtemperatur in eine Tiefe von etwa 40 nm. Die Implantationsdosen betrugen 1 × 10 ¹⁴ . , 1 × 10 ¹⁵ , und 1 × 10 ¹⁶ Ionen/cm ² . Gepulstes Laserschmelzen (PLM) wurde mit einem 1 kHz-Zug von 100 fs, 800 nm Femtosekunden-Laserpulsen mit einer Fluenz von 0,5 J/cm ² . durchgeführt . Dann wird ein Laserspot mit einem Durchmesser von 200 μm auf das Silizium fokussiert und quadratische Bereiche von bis zu 10 mm ×  10 mm strukturiert. Rapid Thermal Annealing (RTA) wurde bei 600 °C für 30 Minuten in einem N₂ . implementiert Atmosphäre.

Wir haben die Absorption bestimmt (A ) der Proben durch Messung des Reflexionsgrades (R ) und Transmission (T ) unter Verwendung eines UV-Vis-NIR-Spektrophotometers (UV3600, Shimadzu, Tokio, Japan) ausgestattet mit einem Ulbrichtkugel-Detektor [3]. Die Absorption wurde berechnet durch A = 1-R -T . Die Konzentration und Mobilität der Träger wurde mit einem Hall-Effekt-Messsystem bei Raumtemperatur (über die Van-der-Pauw-Technik) gemessen [14]. Um zu untersuchen, ob die Verunreinigungs-/Zwischenbande (IB), die durch Schwefelverunreinigungen in Silizium gebildet wird, die Subbandlücken-Photoantwort verstärkt, verwendeten wir eine Fourier-Transformations-Photostrom-Spektroskopie-Methode, wie in Lit. beschrieben. [15, 16], bei dem die zerhackte FTIR-Globärlichtquelle auf die Probe fokussiert wird und der erzeugte Photostrom dann von einem externen Lock-In-Verstärker demoduliert und schließlich zum externen Port des FTIR zurückgeführt wird.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die Absorption von Siliziumproben, die mit unterschiedlichen Dosen implantiert wurden. Die mit PLM bearbeiteten Proben zeigten die höchste Absorption bei sichtbaren und NIR-Wellenlängen, während die Proben im implantierten Zustand die niedrigste Absorption aufwiesen. Der Temperprozess reduziert jedoch die Absorption im NIR-Bereich der Spektren. Die hohe Vis-NIR-Absorption von mikrostrukturiertem Silizium wird auf die folgenden Gründe zurückgeführt:durch Hyperdotierung induzierte Störstellenbande und durch die mikrostrukturierte Oberfläche erzeugte Lichteinfangwirkung. Wie in Abb. 1d dargestellt, wird in Silizium ein durch Dotierstoffe induziertes Störstellenband gebildet, das für die Subbandlückenabsorption verantwortlich ist [17]. Folglich zeigt das hyperdotierte Silizium eine hohe Absorption im NIR-Bereich. Währenddessen rekonstruiert das Laserschmelzen die Siliziumoberfläche und erzeugt eine Anordnung von Kegeln, die zu mehrfacher Reflexion und Absorption führt [13], wie in Abb. 1e, f dargestellt. Das prozessierte Glühen reduziert offensichtlich die Absorption im NIR-Wellenlängenbereich, was hauptsächlich durch die beiden Aspekte verursacht wird:(1) Vernichtung der Nanostrukturen auf der Siliziumoberfläche, wodurch der Lichteinfangeffekt verringert wird [18]; und (2) resultieren in der Neuordnung der Bindung innerhalb der Siliziummatrix, die Schwefelverunreinigungen optisch inaktiviert [11].

a –c Abhängigkeit der Absorption von verschiedenen Herstellungsprozessen mit verschiedenen Implantationsdosen. d Ein Störstellenband, das sich innerhalb der Bandlücke von Si befindet, erleichtert die Erzeugung von Ladungsträgern, die an der Absorption von Photonen niedrigerer Energie teilnehmen. e Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Siliziumspitzen. f Darstellung des Strahlengangs auf einer mikrostrukturierten Oberfläche

Aufgrund der ähnlichen Oberflächenstruktur, die durch die gleichen Laserparameter erzeugt wird, hängt die Absorptionsintensität im NIR-Bereich hauptsächlich von den Verunreinigungsniveaus des Dotierstoffs ab [19]. In der Vergangenheit haben wir die möglichen S-bezogenen Energieniveaus dargestellt, die den spektralen Eigenschaften der Photoantwort entsprechen [20]. Es zeigte sich, dass die starke Verstärkung, die in der NIR-Region beobachtet wurde, abhängig vom S-bezogenen Energieniveau (~ 614 meV) resultierte, was die Subbandlücken-Absorption stark erhöhte. Vor dem Temperprozess hat die Absorption keine dramatische Änderung in Bezug auf die Dotierungsdosis, wie in Fig. 2a gezeigt. Das mikrostrukturierte Silizium mit 10 ¹⁶ und 10 ¹⁵ Ionen/cm ² Implantationsdosis zeigt eine ähnliche Absorption und die Probe implantiert bei 10 ¹⁴ Ionen/cm ² zeigt eine unmerkliche Abnahme. Wir denken, dass die geringere Absorption für getemperte Proben im NIR-Bereich auf beide Aspekte zurückzuführen ist. M. A. Sheehy et al. [21] schlugen vor, dass die Absorptionsabnahme unterhalb der Bandlücke nach dem Temperprozess der Diffusion der kristallinen Körner zu den Korngrenzen der übersättigten Dotierstoffe und Defekte zugeschrieben wird. Zu diesen Mängeln gehören Leerstände, baumelnde Anleihen und schwebende Anleihen. Sobald die Defekte zu den Korngrenzen diffundieren, würden sie keinen Beitrag mehr zu den Verunreinigungsbändern im Si leisten, wodurch die Absorption von Strahlung unterhalb der Bandlücke verringert wird. Darüber hinaus berichtete die Literatur [22], dass keine bemerkenswerte Umverteilung von S auftrat, bis die Glühtemperatur bei 650 °C erreicht wurde. Während dieses Prozesses scheint das S mit Defektclustern zu komplexieren, was bedeutet, dass sich die S-Atome an der Oberfläche des Si-Wafers miteinander verbinden. Dieses Phänomen führt zu einer Verringerung der aktiven Dotierungskonzentration.

a Abhängigkeit der Absorption von unterschiedlicher Ionenimplantationsdosis. Alle Proben wurden durch PLM mikrostrukturiert. b Elektronische Eigenschaften von Referenzsilizium und mikrostrukturiertem Silizium für unterschiedliche Ionenimplantationsdosis vor dem Tempern und eine nach dem Tempern

Die Ladungsträgerdichte und Mobilität von mikrostrukturiertem Silizium mit unterschiedlichen Ionenimplantationsdosen sind in Abb. 2b gezeigt. Es ist offensichtlich, dass die Blattdichte mit der Ionenimplantationsdosis zunimmt und die Mobilität mit zunehmender Ionenimplantationsdosis abnimmt. Gemäß dem Shockley-Read-Hall (SRH)-Rekombinationseffekt nimmt in einem Halbleiter mit indirekter Bandlücke wie Si und Ge die Ladungsträgerlebensdauer mit zunehmender Dotierstoffkonzentration ab [23, 24]. Die Abnahme der Mobilität führt zu einer Zunahme der Rekombinationswahrscheinlichkeit, so dass die Abnahme der Mobilität zu einer Abnahme der Elektronenlebensdauer führt und die Abnahme der Mobilität mit zunehmender Dotierungsdosis mit dem SRH-Rekombinationseffekt übereinstimmt. Nach dem Glühen nimmt die Plattenträgerdichte aufgrund des Wärmediffusionseffekts dramatisch ab, wie wir zuvor besprochen haben.

Abbildung 3 zeigt die Photoreaktion bei unterschiedlicher Dotierungsdosis, und der Einschub zeigt das Diagramm des n+/p-Photodetektors. Die Photoreaktion im NIR-Bereich zeigt das Auftreten einer durch Verunreinigung vermittelten Bande an. Der markante Peak bei etwa 960 nm entspricht der Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren im Siliziumsubstrat, die durch das eingebaute Potenzial von n ⁺ . getrennt sind /p-Übergang und gesammelt an den oberen und unteren Al-Kontakten. Dieses Phänomen ist als Heteroübergangstheorie in Si-Bauelementen bekannt [25].

Photoreaktion von n+/p-Detektoren mit unterschiedlicher Ionenimplantationsdosis. Einschub zeigt die Draufsicht und die Schnittansicht des Geräts. Hellgrau zeigt die Muster der ineinandergreifenden Kontakte auf der mikrostrukturierten Oberfläche und alle stehenden Kontakte auf der Rückseite

Die beobachtete Photoreaktion im NIR wird den Schwefelverunreinigungsniveaus in hyperdotiertem Silizium zugeschrieben. Solche Verunreinigungsniveaus erleichtern die unten erwähnte Bandlückenabsorption, wie oben erwähnt. Das absorbierte NIR-Licht wird in Elektron-Loch-Paare umgewandelt, was zu einer Verbesserung der Photoreaktion im NIR-Bereich (1100 ~ 1600 nm) führt [20]. Das Gerät mit einer Implantationsdosis von 10 ¹⁴ Ionen/cm ² zeigt die höchste Photoreaktion im Wellenlängenbereich von 1010–1100 nm. Der breite Peak wurde mit tiefen Schwefelkonzentrationen in mit Femtosekundenlaser bearbeitetem Silizium untersucht [20, 26]. Außerdem haben wir festgestellt, dass das Gerät mit 10 ¹⁴ Ionen/cm ² hat eine höhere Lichtempfindlichkeit gezeigt als diejenigen mit 10 ¹⁵ und 10 ¹⁶ Ionen/cm ² . Und die Hall-Messung zeigte, dass die Probe bei 10 ¹⁴ . implantiert wurde Ionen/cm ² hatte eine Massenkonzentration von 10 ¹⁹ Ionen/cm ³ . Wie durch den SRH-Rekombinationseffekt gezeigt, hängt die Ladungsträgerlebensdauer von der Dotierstoffkonzentration im Silizium ab. E. Mazur hat festgestellt, dass die Stichprobe mit 10 ¹⁹ Ionen/cm ³ Es wurde erwartet, dass die Dotierstoffkonzentration eine längere Ladungsträgerlebensdauer als 10 ²⁰ . aufweist und 10 ²¹ Ionen/cm ³ [23]. Unsere Hall-Messergebnisse, Probe implantiert bei 10 ¹⁴ Ionen/cm ² die höchste Mobilität zeigt, sind mit dem Abschluss einverstanden. Basierend auf dieser Theorie besteht, obwohl eine Probe mit einer höheren Dotierungsdosis eine größere Absorption zeigt, immer noch ein Gleichgewicht zwischen optischer Absorption und Trägermobilität. Wie in Abb. 3 dargestellt, ist das Gerät mit 10 ¹⁴ Ionen/cm ² zeigt am wahrscheinlichsten die höchste Photoreaktion, was mit der Schlussfolgerung in Lit. [23].

Schlussfolgerungen

Wir haben das Ansprechen von Photodetektoren auf Basis von mikrostrukturiertem Silizium mit unterschiedlicher Ionenimplantationsdosis gemessen. Der Einbau von Verunreinigungen führt zu einer bemerkenswerten Verbesserung des Absorptionsvermögens und der Photoreaktion bei NIR-Wellenlängen. Und Gerät mit 10 ¹⁴ . implantiert Ionen/cm ² weist die höchste Photoresponse auf. PLM in Kombination mit Ionenimplantation demonstriert eine beachtliche Technik zur Herstellung von NIR-Detektoren. Diese Technik könnte einen praktikablen Ansatz bieten, um kostengünstige Breitband-Photodetektoren auf Siliziumbasis herzustellen.