Performance proche infrarouge améliorée de photodiodes silicium hyper-dopées au soufre fabriquées par fusion pulsée laser femtoseconde

Résumé

La photoréponse proche infrarouge (PIR) médiée par impuretés dans le silicium est un objectif clé pour les photovoltaïques et photodétecteurs de prochaine génération. Dans cette étude, nous avons fabriqué une série de photodiodes n⁺/p en combinant l'implantation ionique de soufre avec la fusion pulsée laser femtoseconde (FPL). Les dispositifs de silicium hyper-dopés résultants ont exhibé une augmentation frappante de l'absorbance PIR et du photocourant. Le dispositif implanté à 1 × 10¹⁴ ions cm⁻² a délivré la meilleure performance, démontrant qu'une dose de dopant modeste, couplée à la FPL, peut produire des photodétecteurs silicium large bande à faible coût.

Contexte

Le silicium conventionnel souffre d'un gap de bande de 1,12 eV, limitant sa sensibilité PIR intrinsèque. De nombreuses stratégies — du texturage de surface au dopage sous-gap — ont été explorées pour surmonter cette barrière. La percée du silicium supersaturé en chalcogènes, réalisée par irradiation laser en atmosphère SF₆, a révélé que le silicium peut être dopé au-delà de sa solubilité d'équilibre, créant des bandes d'impuretés qui absorbent sous le gap de bande. Les microstructures coniques formées pendant la fusion laser améliorent encore le piégeage de lumière, boostant l'efficacité d'absorption. Sur ces concepts, nous avons conçu du silicium hyper-dopé au soufre par implantation ionique suivie de FPL femtoseconde, et évalué la réponse électrique et optique de photodétecteurs à jonction n⁺/p.

Méthodes

Des wafers silicium p-type (100) polis sur une face (300 µm d'épaisseur, résistivité 8–12 Ω cm) ont été implantés avec des ions ³²S⁺ à 1,2 keV à une profondeur d'environ 40 nm. Des doses d'implantation de 1 × 10¹⁴, 1 × 10¹⁵ et 1 × 10¹⁶ ions cm⁻² ont été utilisées. La FPL était réalisée avec une train de 1 kHz d'impulsions de 100 fs, 800 nm à une fluence de 0,5 J cm⁻² ; le spot laser de 200 µm était balayé pour patronner des carrés de 10 mm × 10 mm. Un recuit thermique rapide à 600 °C pendant 30 min sous N₂ complétait le processus.

L'absorbance (A) était dérivée de la réflectance (R) et la transmittance (T) mesurées avec un spectrophotomètre UV-Vis-PIR (Shimadzu UV3600) et sphère intégrante (A = 1 – R – T). La concentration et la mobilité des porteurs étaient obtenues via l'effet Hall à température ambiante (méthode van der Pauw). Pour sonder l'absorption sous-gap médiée par impuretés, la spectroscopie de photocourant à transformée de Fourier était réalisée en utilisant une source globar FTIR hachée et détection lock-in.

Résultats et Discussion

La Figure 1 montre que la FPL élève dramatiquement l'absorbance à travers le visible et le PIR comparé aux échantillons simplement implantés. Le recuit, cependant, réduit l'absorption PIR par deux mécanismes principaux : (1) l'érosion des nanostructures coniques diminue le piégeage de lumière, et (2) les atomes de soufre sont optiquement inactivés par réarrangement de liaisons. La surface microstructurée joue ainsi un rôle pivot dans la réponse PIR améliorée.

a–c Absorbance versus processus de fabrication et dose d'implantation. d Bande d'impuretés dans le gap de bande Si permettant l'absorption sous-gap. e Image MEB de pointes de silicium. f Chemin optique sur la surface microstructurée.

Puisque la topologie de surface est identique entre échantillons, l'absorbance PIR dépend principalement de la concentration en soufre. Des travaux antérieurs ont identifié un niveau lié au soufre à ~614 meV, qui sous-tend l'absorption PIR prononcée. Pré-recuit, l'absorbance est relativement insensible à la dose : 10¹⁶ et 10¹⁵ ions cm⁻² donnent des valeurs similaires, tandis que 10¹⁴ ions cm⁻² montre une légère diminution. Post-recuit, la chute d'absorbance est attribuée à la diffusion des dopants vers les joints de grains et la formation de grappes défaut-soufre, réduisant la densité de bande d'impuretés active.

a Absorbance versus dose d'implantation ionique (traité FPL). b Propriétés électriques du silicium microstructuré avant et après recuit.

La densité de porteurs en surface augmente avec la dose tandis que la mobilité chute, cohérent avec la recombinaison Shockley-Read-Hall : des niveaux de dopant plus élevés raccourcissent la durée de vie des porteurs, augmentant la probabilité de recombinaison. Le recuit réduit drastiquement la densité de surface en raison de la diffusion thermique.

La Figure 3 présente les spectres de photoréponse. Un pic distinct près de 960 nm reflète la génération de paires électron-trou dans le substrat Si, extraites par le champ intégré de la jonction n⁺/p. Dans la bande PIR (1100–1600 nm), le dispositif à 10¹⁴ ions cm⁻² surpasse les homologues à dose plus élevée, atteignant le photocourant le plus élevé. Les données Hall montrent une concentration en volume de ~10¹⁹ cm⁻³ et la meilleure mobilité à cette dose, confirmant qu'un compromis optimal entre absorption et transport de porteurs produit une performance de dispositif supérieure.

Photoréponse de détecteurs n⁺/p à différentes doses. Encadré : disposition du dispositif avec contacts interdigités sur la surface microstructurée.

Conclusions

Notre étude systématique démontre que l'hyper-dopage au soufre via implantation ionique suivie de FPL femtoseconde améliore significativement l'absorbance PIR du silicium et la performance des photodétecteurs. Le dispositif implanté à 1 × 10¹⁴ ions cm⁻² a exhibé la plus haute photoréponse, confirmant l'équilibre critique entre absorption induite par impuretés et mobilité des porteurs. Cette approche évolutive et à faible coût ouvre la voie à des photodiodes silicium large bande pour la photonique intégrée et les applications de récupération d'énergie.