Propriétés optiques et électroniques des photodiodes N+/P au silicium hyperdopées induites par laser femtoseconde

Contexte

Les dispositifs traditionnels à base de silicium ne pouvaient pas montrer la photoréponse NIR souhaitable en raison de la limitation de la bande interdite optique (1,12 eV) du silicium [1], et de nombreuses tentatives ont été faites pour améliorer l'absorbance du matériau en silicium, en particulier aux longueurs d'onde NIR [2,3, 4,5,6,7,8,9]. La découverte du silicium sursaturé en chalcogène fabriqué par irradiation laser dans le SF₆ l'atmosphère a démontré une approche pour améliorer l'absorption de la sous-bande interdite [10, 11]. Dans ce procédé, le matériau peut être dopé au-delà de la limite de solubilité [12]. En outre, l'effet de piégeage de la lumière causé par la structure unique du cône pointu sur la surface du silicium augmente également l'efficacité de l'absorption de la lumière [13]. Dans cet article, nous avons fabriqué du silicium hyperdopé préparé par implantation ionique et laser pulsé femtoseconde. Une mesure de Hall a été réalisée pour mesurer les propriétés électriques du silicium hyperdopé. Photodétecteurs basés sur n ⁺ La jonction /p a démontré des performances élevées à la fois sur l'absorption NIR et la photoréponse.

Méthodes

Des plaquettes de silicium [100] de type p polies sur une face (300 μm) avec une résistivité de 8 à 12 Ω cm ont été implantées par ions avec 1,2 keV ³² S ⁺ à une profondeur d'environ 40 nm à température ambiante. Les doses d'implantation étaient de 1 × 10 ¹⁴ , 1 × 10 ¹⁵ , et 1 × 10 ¹⁶ ions/cm ² . La fusion laser pulsée (PLM) a été réalisée par un train de 1 kHz d'impulsions laser femtosecondes de 100 fs, 800 nm avec une fluence de 0,5 J/cm ² . Ensuite, un spot laser de 200 μm de diamètre est focalisé sur le silicium et les zones carrées à motifs jusqu'à 10 mm × 10 mm. Le recuit thermique rapide (RTA) a été mis en œuvre à 600 °C pendant 30 min dans un N₂ ambiance.

Nous avons déterminé l'absorbance (A ) des échantillons en mesurant la réflectance (R ) et la transmission (T ) en utilisant un spectrophotomètre UV-Vis-NIR (UV3600, Shimadzu, Tokyo, Japon) équipé d'un détecteur à sphère intégrante [3]. L'absorbance a été calculée par A = 1-R -T . La concentration et la mobilité des porteurs ont été mesurées par un système de mesure à effet Hall à température ambiante (via la technique van der Pauw) [14]. Pour déterminer si l'impureté/bande intermédiaire (IB) formée par les impuretés de soufre dans le silicium améliore la photoréponse sous-bande interdite, nous avons utilisé une méthode de spectroscopie à photocourant à transformée de Fourier comme décrit dans la réf. [15, 16], où la source de lumière globale FTIR hachée est focalisée sur l'échantillon, et le photocourant généré est ensuite démodulé par un amplificateur de verrouillage externe et finalement renvoyé au port externe du FTIR.

Résultats et discussion

La figure 1 montre l'absorbance d'échantillons de silicium implantés à différentes doses. Les échantillons traités avec le PLM ont montré l'absorbance la plus élevée aux longueurs d'onde visibles et NIR tandis que les échantillons tels que implantés ont montré l'absorbance la plus faible. Cependant, le processus de recuit réduit l'absorption dans la région NIR des spectres. L'absorbance Vis-NIR élevée du silicium microstructuré est attribuée aux raisons suivantes :bande d'impuretés induite par l'hyperdopage et effet de piégeage de la lumière généré par la surface microstructurée. Comme illustré sur la figure 1d, une bande d'impuretés induite par les dopants est formée dans le silicium, qui est responsable de l'absorption de la sous-bande interdite [17]. Par conséquent, le silicium hyperdopé présente une absorbance élevée dans la plage NIR. Pendant ce temps, la fusion laser reconstruit la surface du silicium et produit un réseau de cônes qui conduit à une réflexion et une absorption multiples [13], comme le montrent les Fig. 1e, f. Le recuit traité réduit évidemment l'absorbance dans la gamme des longueurs d'onde NIR, ce qui est principalement causé par les deux aspects :(1) annihiler les nanostructures à la surface du silicium, diminuant l'effet de piégeage de la lumière [18] ; et (2) entraînent le réarrangement des liaisons au sein de la matrice de silicium, qui inactive optiquement les impuretés soufrées [11].

un –c Dépendance de l'absorbance sur différents processus de fabrication avec diverses doses d'implantation. d La bande d'impuretés située dans la bande interdite de Si facilite la génération de porteurs qui participent à l'absorption des photons de plus faible énergie. e Micrographie électronique à balayage de pointes de silicium. f Illustration du chemin optique sur une surface microstructurée

En raison de la structure de surface similaire créée par les mêmes paramètres laser, l'intensité de l'absorption dans la plage NIR dépend principalement des niveaux d'impuretés du dopant [19]. Dans le passé, nous avons illustré les niveaux d'énergie possibles liés au S correspondant aux caractéristiques spectrales de la photoréponse [20]. Il a montré que la grande amélioration observée dans la région NIR résultait de manière dépendante du niveau d'énergie lié au S (~ 614 meV), qui a considérablement amélioré l'absorptance sous-bande interdite. Avant le processus de recuit, l'absorption n'a pas de changement spectaculaire par rapport à la dose de dopage, comme le montre la figure 2a. Le silicium microstructuré à 10 ¹⁶ et 10 ¹⁵ ion/cm ² la dose d'implantation montre une absorbance similaire, et l'échantillon implanté à 10 ¹⁴ ions/cm ² montre une diminution imperceptible. Nous considérons que l'absorbance inférieure pour les échantillons recuits dans la plage NIR peut être attribuée aux deux aspects. M.A. Sheehy et al. [21] ont proposé que la diminution de l'absorption sous la bande interdite après le processus de recuit soit attribuée à la diffusion hors des grains cristallins vers les joints de grains des dopants sursaturés et des défauts. Ces défauts comprennent les postes vacants, les obligations pendantes et les obligations flottantes. Une fois les défauts diffusés aux joints de grains, ils ne contribueraient plus aux bandes d'impuretés dans le Si, réduisant ainsi l'absorption du rayonnement inférieur à la bande interdite. De plus, la littérature [22] a rapporté qu'aucune redistribution remarquable de S ne s'est produite jusqu'à ce que la température de recuit atteigne 650 °C. Au cours de ce processus, le S semble se complexer avec des amas de défauts, ce qui signifie que les atomes S se combineront les uns avec les autres à la surface de la plaquette de Si. Ce phénomène entraîne une diminution de la concentration de dopage actif.

un Dépendance de l'absorbance sur différentes doses d'implantation ionique. Tous les échantillons ont été microstructurés par PLM. b Propriétés électroniques du silicium de référence et du silicium microstructuré pour différentes doses d'implantation ionique avant recuit et une après recuit

La densité de porteurs et la mobilité du silicium microstructuré avec différentes doses d'implantation ionique sont illustrées sur la figure 2b. Il est évident que la densité de feuille augmente avec la dose d'implantation ionique et que la mobilité diminue avec l'augmentation de la dose d'implantation ionique. Selon l'effet de recombinaison Shockley-Read-Hall (SRH), dans un semi-conducteur à bande interdite indirecte tel que Si et Ge, la durée de vie du porteur diminue avec l'augmentation de la concentration de dopant [23, 24]. La diminution de la mobilité entraîne une augmentation de la probabilité de recombinaison, de sorte que la diminution de la mobilité entraîne une diminution de la durée de vie des électrons et la diminution de la mobilité avec l'augmentation de la dose de dopage est cohérente avec l'effet de recombinaison SRH. Après le recuit, la densité du support de feuille diminue considérablement en raison de l'effet de diffusion thermique, comme nous l'avons vu précédemment.

La figure 3 montre la photoréponse avec différentes doses de dopage, et l'encart montre le diagramme du photodétecteur n+/p. La photoréponse à la plage NIR indique l'apparition d'une bande induite par les impuretés. Le pic important à environ 960 nm correspond à la génération de paires électron-trou dans le substrat de silicium, qui sont séparées par le potentiel intégré de n ⁺ /p et collecté au niveau des contacts Al supérieurs et inférieurs. Ce phénomène est bien connu sous le nom de théorie de l'hétérojonction dans les dispositifs Si [25].

Photoréponse de détecteurs n+/p avec différentes doses d'implantation ionique. L'encart montre la vue de dessus et la vue en coupe de l'appareil. Le gris clair montre les motifs de contact interdigité sur la surface microstructurée et tous les contacts permanents à l'arrière

La photoréponse observée dans le NIR est attribuée aux niveaux d'impuretés de soufre dans le silicium hyperdopé. De tels niveaux d'impuretés facilitent l'absorption de la bande interdite inférieure comme mentionné ci-dessus. La lumière NIR absorbée est convertie en paires électron-trou, ce qui améliore la photoréponse dans la plage NIR (1100 ~ 1600 nm) [20]. Le dispositif avec une dose d'implantation de 10 ¹⁴ ions/cm ² montre la photoréponse la plus élevée dans la plage de longueurs d'onde de 1010 à 1100 nm. Le large pic a été étudié en raison de niveaux de soufre profonds dans le silicium femtoseconde traité au laser [20, 26]. De plus, nous avons constaté que l'appareil avec 10 ¹⁴ ions/cm ² a montré une photoréponse plus élevée que ceux avec 10 ¹⁵ et 10 ¹⁶ ions/cm ² . Et la mesure de Hall a indiqué que l'échantillon implanté à 10 ¹⁴ ions/cm ² avait une concentration en vrac de 10 ¹⁹ ions/cm ³ . Comme démontré par l'effet de recombinaison SRH, la durée de vie du porteur dépend de la concentration de dopant dans le silicium. E. Mazur a conclu que l'échantillon avec 10 ¹⁹ ions/cm ³ on s'attendait à ce que la concentration de dopant montre une durée de vie du porteur plus longue que 10 ²⁰ et 10 ²¹ ions/cm ³ [23]. Nos résultats de mesure Hall, échantillon implanté à 10 ¹⁴ ions/cm ² montre la plus grande mobilité, sont d'accord avec la conclusion. Sur la base de cette théorie, bien qu'un échantillon avec une dose de dopage plus élevée montre une plus grande absorbance, il existe toujours un équilibre entre l'absorption optique et la mobilité du porteur. Comme le montre la figure 3, l'appareil avec 10 ¹⁴ ions/cm ² est le plus susceptible de montrer la photoréponse la plus élevée, ce qui est cohérent avec la conclusion rapportée dans la réf. [23].

Conclusions

Nous avons mesuré la réponse de photodétecteurs à base de silicium microstructuré avec différentes doses d'implantation ionique. L'incorporation d'impuretés conduit à une amélioration remarquable de l'absorbance et de la photoréponse aux longueurs d'onde NIR. Et dispositif implanté à 10 ¹⁴ ions/cm ² présente la photoréponse la plus élevée. Le PLM combiné à l'implantation ionique démontre une technique considérable pour la fabrication de détecteurs NIR. Cette technique peut offrir une approche réalisable pour fabriquer des photodétecteurs à large bande à faible coût à base de silicium.