Verbesserte Nahinfrarot-Absorption durch zweistufige Fertigung von strukturiertem schwarzen Silicium und dessen Geräteanwendungen

Zusammenfassung

Silicium ist das Fundament der Halbleiterindustrie, doch seine inhärent hohe Reflexion und breite Bandlücke limitieren die Leistung in der nahinfraroten (NIR) Photodetektion. In dieser Arbeit verwenden wir einen zweistufigen Fertigungsansatz – tiefe reaktive Ionenätzung (DRIE) gefolgt von Plasma-Immersion-Ionenimplantation (PIII) – um mikrostrukturiertes schwarzes Silicium (BSi) auf kristallinem Silicium (C-Si) zu erzeugen. Die schwefel-dotierte Oberfläche ergibt eine verengte Bandlücke und deutlich erhöhte Absorption, insbesondere zwischen 800 und 2000 nm, mit einem Maximum von 83 %. Als Rückseitenbeschichtung in einer Si-PIN-Photodiode integriert, liefert die BSi-Schicht eine Responsivität von 0,53 A W⁻¹ bei 1060 nm, was ihr Potenzial für hochempfindliche NIR-Detektion unterstreicht.

Hintergrund

Mikro- und nanostructuriertes schwarzes Silicium hat sich als Schwerpunkt für die Verbesserung der Lichtabsorption im sichtbaren und NIR-Spektrum etabliert. DRIE, eine zyklische Ätz-Passivierungs-Technik mit SF₆ für isotropes Ätzen und C₄F₈ für Seitenwandpassivierung, ermöglicht die Erzeugung von Hochseitenverhältnis-Strukturen, deren Geometrie durch Maskeabmessungen, Gasflüsse, Elektrodenleistung und Zyklusdauer gesteuert wird. Die nachfolgende Ionenimplantation dotiert das geätzte Silicium, führt Schwefelatome ein, die Sub-Bandlücken-Zustände erzeugen und das Absorptionsspektrum verbreitern [1–11]. Diese strukturierten Oberflächen finden Anwendungen in empfindlichen Photodetektoren, Photovoltaikzellen, biochemischen Sensoren, Displays und optischer Kommunikation [12–20]. In einer früheren Studie untersuchten wir einen Si-PIN-Detektor mit frontseitigem BSi und beobachteten einen Kompromiss zwischen NIR-Empfindlichkeit und Sichtlicht-Responsivität aufgrund von Trägerkollektionsproblemen. Dies motivierte die aktuelle Untersuchung von BSi auf der Rückseite, um NIR zu verbessern und gleichzeitig akzeptable Sichtlichtleistung beizubehalten.

Der vorliegende Artikel berichtet über die Lichtabsorptionserhöhung und Bandlückenverengung, die durch einen DRIE-PIII-Zweistufenprozess erreicht werden. Wir analysieren, wie verschiedene Ätzparameter die Absorption von 400 bis 2000 nm beeinflussen und evaluieren einen Si-PIN-Detektor mit rückseitigem BSi hinsichtlich der Responsivität über 400–1100 nm.

Methoden

Abbildung 1a zeigt das für optische Simulationen mit FDTD-Software verwendete einheitliche, periodische Zylinderarray-Modell. Abbildung 1b veranschaulicht, wie die Absorption bei vier Zylinderarray-Modellen variiert, die einen Durchmesser (D = 4 µm) teilen, sich aber im Mittelabstand unterscheiden (T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm) nach Optimierung.

Basierend auf der Simulation wurden drei Fotolithografie-Masken entworfen: Maske I (D = 4 µm, T = 6 µm), Maske II (D = 4 µm, T = 8 µm) und Maske III (D = 4 µm, T = 10 µm). Ein 15 × 15 cm² n-Typ-Siliciumwafer (500 µm dick, Widerstand 2500–3000 Ω cm) erhielt den NR9-1500PY-Photolack und wurde mit den kreisförmigen Arrays strukturiert. Der Wafer wurde in einer DRIE-Kammer (ICP-100D) mit SF₆ (Ätzen) und C₄F₈ (Passivierung) Zyklen für 30, 70 oder 100 Wiederholungen geätzt. Nach dem Ätzen wurde der verbleibende Photolack unter Sauerstoffplasma entfernt, um saubere Oberflächen zu erhalten. Um die NIR-Absorption weiter zu steigern, wurden Maske-III-Proben einer PIII mit einer Schwefeldosis von 1,0 × 10¹⁵ cm⁻² bei 800 eV unterzogen.

Die Morphologie wurde mit einem JSM-7500F Feldemissions-REM untersucht. Die Absorption wurde bei Raumtemperatur mit einem NIR2500 Faseroptik-Spektrometer gekoppelt an eine Idea Optics Integrating Sphere (IS-20-5) gemessen. Die Detektor-Responsivität wurde mit einem OPHIR Vega Optikleistungsmesser, einem Scitec Instruments Optikchopper (Modell-300CD) und einem Keithley 2636B unter Dunkelbedingungen bestimmt. Alle Messungen wurden kalibriert und an 4–6 Proben wiederholt, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3 zeigt REM-Aufnahmen der ausgerichteten mikrostrukturierten Arrays für die drei Maskengrößen. Die Draufsicht weicht von perfekten Kreisen ab aufgrund des Zusammenspiels zwischen DRIE-Ätzung und Maskentreue. Die Ätztiefe nimmt mit der Zyklenzahl zu und erreicht ~1,87 µm (30 Zyklen), 2,35 µm (70 Zyklen) und 3,15 µm (100 Zyklen). Seitliches Ätzen, trotz Seitenwandpassivierung, führt zu leicht konischen Säulen, was die Notwendigkeit bestätigt, Lithografie- und Zyklusparameter für optimale Morphologie feinabzustimmen.

Querschnittsansichten (Abbildung 4) bestätigen den fortschreitenden Anstieg der Säulenhöhe mit der Zyklenzahl. Obwohl die DRIE-Passivierungsschicht die Seitenwände schützt, bleibt etwas seitliches Ätzen, das die endgültige Form beeinflusst.

Abbildung 5a zeigt die Absorption der mikrostrukturierten Arrays ohne PIII. Im Vergleich zu blankem C-Si erhöhen die geätzten Arrays die Absorption über 400–2000 nm, wobei die 100-Zyklen-Probe bis zu 70 % im NIR erreicht. Mehrfache interne Reflexionen innerhalb der Säulen verlängern den optischen Pfad und steigern die Absorption. Die Absorption über 1000 nm bleibt jedoch bescheiden, was die Schwefeldotierung motiviert. Nach PIII zeigt Abbildung 5b einen deutlichen Absorptionsanstieg über das gesamte Spektrum. Die Spitzenabsorption der 100-Zyklen-Probe steigt auf 83 %, und die durchschnittliche Absorption erreicht 62 %. Die Schwefelimplantation führt Verunreinigungsbänder ein, die sich überlappen, die effektive Bandlücke verengen und Sub-Bandlücken-Photonenabsorption ermöglichen [10,11]. Dies wird durch die Bandlückenreduktion von 1,12 eV (C-Si) auf 1,045 eV, 1,033 eV und 1,025 eV für 30, 70 und 100 Zyklen bestätigt (Abbildung 7). Die Analyse nutzte Kubelka-Munk-Theorie und Tauc-Plots zur Extraktion dieser Werte. Abbildung 6 illustriert den Mehrfachreflexionsmechanismus innerhalb der Säulenarrays, der die erhöhte Absorption erklärt.

Die Integration des rückseitigen BSi in eine Si-PIN-Photodiode (Abbildung 8a) umfasste: (1) Oxidation beider Seiten eines monokristallinen n-Typ-Wafers; (2) Bor-Diffusion zur Bildung der P-Schicht auf der Vorderseite; (3) Abscheidung von Si₃N₄ und Polieren der Rückseite auf ~200 µm; (4) Dotierung einer N⁺-Schicht und Wachstum der BSi-Säulen darauf; (5) Strukturierung der Metallkontakte. Bauelement 2 mit einem 2 mm² photosensitive Bereich weist einen Dunkelstrom vergleichbar mit kommerziellen Si-PIN-Photodioden auf. Unter 1060 nm Beleuchtung erreicht seine Responsivität 0,53 A W⁻¹, eine deutliche Verbesserung gegenüber der kommerziellen S1336-44BK (Bauelement 1). Bemerkenswert ist, dass die Responsivität von Bauelement 2 im 680–1100 nm Bereich die von Bauelement 1 um ~60 nm übertrifft, was die Wirksamkeit von rückseitigem BSi zur Erweiterung der NIR-Empfindlichkeit bestätigt.

Die begrenzte Verbesserung der Sichtlicht-Responsivität von Bauelement 2 resultiert daraus, dass Photonen oberhalb der C-Si-Bandlücke in der vorderen P-Schicht absorbiert werden, wodurch das rückseitige BSi für die Trägerkollektion weitgehend irrelevant ist. Im Gegensatz dazu durchdringen NIR-Photonen die vordere Schicht, werden in der N-Schicht absorbiert, und die resultierenden Träger werden unter Rückwärtsspannung effizient vom N⁺-Kontakt eingesammelt, was zum erheblichen Responsivitätsgewinn führt.

Während die vorliegende Studie einen gangbaren Weg zu NIR-verbesserten Photodioden demonstriert, könnten weitere Optimierungen der DRIE-Parameter, Ionenimplantationsenergien und Bauelementarchitekturen noch höhere Leistung und breitere Anwendbarkeit erzielen.

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich mikrostrukturiertes schwarzes Silicium über einen DRIE-PIII-Zweistufenprozess hergestellt. Drei Säulengeometrien (Maske I: D = 4 µm, T = 6 µm; Maske II: D = 4 µm, T = 8 µm; Maske III: D = 4 µm, T = 10 µm) ergaben Höhen von 1,87, 2,35 und 3,15 µm. Diese Strukturen erreichten Spitzenabsorption von 83 % und einen Durchschnitt von 62 % über 400–2000 nm, zurückzuführen auf verlängerten optischen Pfad und verengte Bandlücke durch Schwefeldotierung. Die Integration des BSi als Rückseite einer Si-PIN-Photodiode erzeugte eine Responsivität von 0,53 A W⁻¹ bei 1060 nm und 0,31 A W⁻¹ bei 1100 nm, was einen kommerziellen S1336-44BK-Detektor im NIR deutlich übertrifft. Dieser Ansatz bietet einen vielversprechenden Pfad für hochempfindliche NIR-Photodetektoren.