Absorption proche infrarouge améliorée par fabrication en deux étapes de silicium noir structuré et ses applications dispositifs

Résumé

Le silicium est la pierre angulaire de l'industrie des semi-conducteurs, pourtant sa réflectance élevée intrinsèque et sa large bande interdite limitent les performances en photodétection proche infrarouge (NIR). Dans ce travail, nous employons une approche de fabrication en deux étapes — gravure réactive ionique profonde (DRIE) suivie d'implantation ionique par immersion plasma (PIII) — pour créer du silicium noir microstructuré (BSi) sur du silicium cristallin (C-Si). La surface dopée au soufre produit une bande interdite rétrécie et une absorptance nettement améliorée, particulièrement entre 800 et 2000 nm, avec un maximum de 83 %. Intégrée comme surface arrière d'une photodiode Si-PIN, la couche BSi délivre une responsivité de 0,53 A W⁻¹ à 1060 nm, soulignant son potentiel pour la détection NIR à haute sensibilité.

Contexte

Le silicium noir micro- et nanostructuré est devenu un point focal pour améliorer l'absorption de la lumière à travers les spectres visible et NIR. La DRIE, une technique cyclique gravure-passivation utilisant SF₆ pour la gravure isotrope et C₄F₈ pour la passivation des parois, facilite la création de structures à haut rapport d'aspect dont la géométrie est régie par les dimensions du masque, les débits de gaz, la puissance d'électrode et la durée des cycles. L'implantation ionique subséquente dope le silicium gravé, introduisant des atomes de soufre qui génèrent des états sous-bande interdite et élargissent le spectre d'absorption [1–11]. Ces surfaces conçues ont trouvé applications dans les photodétecteurs sensibles, cellules photovoltaïques, capteurs biochimiques, affichages et communications optiques [12–20]. Dans notre étude antérieure, nous avons étudié un détecteur Si-PIN avec BSi en surface avant, notant un compromis entre sensibilité NIR et responsivité en lumière visible due aux défis de collecte des porteurs. Cela a motivé l'investigation actuelle du BSi sur la surface arrière pour améliorer simultanément le NIR et maintenir une performance visible acceptable.

Le présent article rapporte l'amélioration de l'absorptance lumineuse et le rétrécissement de la bande interdite atteints par un processus DRIE–PIII en deux étapes. Nous analysons comment différents paramètres de gravure affectent l'absorptance de 400 à 2000 nm et évaluons un détecteur Si-PIN incorporant du BSi en surface arrière pour la responsivité à travers 400–1100 nm.

Méthodes

La figure 1a illustre les réseaux cylindriques périodiques uniformes sélectionnés pour les simulations optiques utilisant le logiciel FDTD. La figure 1b montre comment l'absorptance varie avec quatre modèles de réseaux cylindriques partageant un diamètre (D = 4 µm) mais différant par l'espacement central (T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm) après optimisation.

Basée sur la simulation, trois masques de photolithographie ont été conçus : masque I (D = 4 µm, T = 6 µm), masque II (D = 4 µm, T = 8 µm) et masque III (D = 4 µm, T = 10 µm). Une wafer n-type de 15 × 15 cm² (500 µm d'épaisseur, résistivité 2500–3000 Ω cm) a reçu le photorésist NR9-1500PY et a été structurée avec les réseaux circulaires. Le wafer a été gravé dans une chambre DRIE (ICP-100D) utilisant des cycles SF₆ (gravure) et C₄F₈ (passivation) pour 30, 70 ou 100 répétitions. Après gravure, le photorésist résiduel a été retiré sous plasma d'oxygène pour obtenir des surfaces propres. Pour améliorer davantage l'absorptance NIR, les échantillons du masque III ont été soumis à PIII avec une dose de soufre de 1,0 × 10¹⁵ cm⁻² à 800 eV.

La morphologie a été examinée avec un SEM à émission de champ JSM-7500F. L'absorptance a été mesurée à température ambiante à l'aide d'un spectromètre à fibre optique NIR2500 couplé à une sphère intégrante Idea Optics (IS-20-5). La responsivité du détecteur a été déterminée avec un wattmètre optique OPHIR Vega, un hacheur optique Scitec Instruments (Modèle-300CD) et un Keithley 2636B sous conditions obscures. Toutes les mesures ont été calibrées et répétées sur 4–6 échantillons pour assurer la fiabilité.

Résultats et Discussion

La figure 3 présente les images SEM des réseaux microstructurés alignés pour les trois tailles de masque. La vue de face s'écarte des cercles parfaits en raison de l'interaction entre la gravure DRIE et la fidélité du masque. La profondeur de gravure augmente avec le nombre de cycles, atteignant ~1,87 µm (30 cycles), 2,35 µm (70 cycles) et 3,15 µm (100 cycles). La gravure latérale, malgré la passivation des parois, conduit à des piliers légèrement coniques, confirmant la nécessité d'affiner la lithographie et les paramètres de cycle pour une morphologie optimale.

Les vues en coupe (figure 4) confirment l'augmentation progressive de la hauteur des piliers avec le nombre de cycles. Bien que la couche de passivation de la DRIE protège les parois, une certaine gravure latérale subsiste, influençant la forme finale.

La figure 5a montre l'absorptance des réseaux microstructurés sans PIII. Comparé au C-Si nu, les réseaux gravés améliorent l'absorptance à travers 400–2000 nm, avec l'échantillon à 100 cycles atteignant jusqu'à 70 % dans le NIR. Les réflexions internes multiples dans les piliers augmentent la longueur de chemin optique, boostant l'absorption. Cependant, l'absorptance au-dessus de 1000 nm reste modeste, motivant le dopage au soufre. Après PIII, la figure 5b révèle une augmentation prononcée de l'absorptance sur tout le spectre. Le pic d'absorptance de l'échantillon à 100 cycles monte à 83 %, et l'absorptance moyenne atteint 62 %. L'implantation de soufre introduit des bandes d'impuretés qui se chevauchent, rétrécissant la bande interdite effective et permettant l'absorption de photons sous-bande interdite [10,11]. Cela est évident par la réduction de la bande interdite de 1,12 eV (C-Si) à 1,045 eV, 1,033 eV et 1,025 eV pour 30, 70 et 100 cycles respectivement (figure 7). L'analyse a employé la théorie de Kubelka-Munk et les graphiques de Tauc pour extraire ces valeurs. La figure 6 illustre le mécanisme de multi-réflexion dans les réseaux de piliers, expliquant l'absorptance améliorée.

L'intégration du BSi en surface arrière dans une photodiode Si-PIN (figure 8a) a impliqué : (1) oxydation des deux côtés d'un wafer n-type monocristallin ; (2) diffusion de bore pour former la couche P en face avant ; (3) dépôt de Si₃N₄ et polissage de l'arrière à ~200 µm ; (4) dopage d'une couche N⁺ et croissance des piliers BSi au-dessus ; (5) structuration des contacts métalliques. Le dispositif 2, avec une zone photosensible de 2 mm de diamètre, exhibe un courant de fuite comparable aux photodiodes Si-PIN commerciales. Sous illumination à 1060 nm, sa responsivité atteint 0,53 A W⁻¹, une amélioration marquée par rapport au S1336-44BK commercial (dispositif 1). Notamment, la responsivité du dispositif 2 dans la gamme 680–1100 nm surpasse le dispositif 1 d'environ 60 nm, confirmant l'efficacité du BSi en surface arrière pour étendre la sensibilité NIR.

L'amélioration limitée du dispositif 2 en responsivité lumière visible provient du fait que les photons au-dessus de la bande interdite du C-Si sont absorbés dans la couche P frontale, rendant le BSi arrière largement irrelevent pour la collecte des porteurs. En revanche, les photons NIR traversent la couche frontale, sont absorbés dans la couche N, et les porteurs résultants sont efficacement collectés par le contact N⁺ sous biais inverse, menant au gain substantiel de responsivité.

Bien que l'étude présente démontre une voie viable vers des photodiodes NIR-améliorées, une optimisation supplémentaire des paramètres DRIE, énergies d'implantation ionique et architectures de dispositifs pourrait produire des performances encore plus élevées et une applicabilité plus large.

Conclusions

Nous avons fabriqué avec succès du silicium noir microstructuré via un processus DRIE–PIII en deux étapes. Trois géométries de piliers (masque I : D = 4 µm, T = 6 µm ; masque II : D = 4 µm, T = 8 µm ; masque III : D = 4 µm, T = 10 µm) ont produit des hauteurs de 1,87, 2,35 et 3,15 µm respectivement. Ces structures ont atteint une absorptance maximale de 83 % et une moyenne de 62 % à travers 400–2000 nm, attribuée à l'augmentation de la longueur de chemin optique et au rétrécissement de la bande interdite par dopage au soufre. L'incorporation du BSi comme surface arrière d'une photodiode Si-PIN a produit une responsivité de 0,53 A W⁻¹ à 1060 nm et 0,31 A W⁻¹ à 1100 nm, surperformant nettement un détecteur commercial S1336-44BK dans le NIR. Cette approche offre une voie prometteuse pour les photodétecteurs NIR à haute sensibilité.