Optische en elektronische eigenschappen van door femtoseconde laser-geïnduceerde zwavel-hyperdoped silicium N+/P fotodiodes

Resultaten en discussie

Afbeelding 1 toont de absorptie van siliciummonsters die in verschillende doses zijn geïmplanteerd. De met PLM verwerkte monsters vertoonden de hoogste absorptie bij zichtbare en NIR-golflengten, terwijl als geïmplanteerde monsters de laagste absorptie vertoonden. Het uitgloeiproces vermindert echter de absorptie in het NIR-gebied van spectra. De hoge Vis-NIR-absorptie van microgestructureerd silicium wordt toegeschreven aan de volgende redenen:hyperdoping-geïnduceerde onzuiverheidsband en microgestructureerd oppervlak-gegenereerd lichtvangeffect. Zoals geïllustreerd in figuur 1d, wordt een onzuiverheidsband gevormd door doteermiddelen gevormd in silicium, dat verantwoordelijk is voor sub-bandgap-absorptie [17]. Bijgevolg vertoont het hypergedoteerde silicium een ​​hoge absorptie in het NIR-bereik. Ondertussen reconstrueert lasersmelten het siliciumoppervlak en produceert een reeks kegels die leidt tot meervoudige reflectie en absorptie [13], zoals weergegeven in Fig. 1e, f. Het verwerkte uitgloeien vermindert duidelijk de absorptie bij het NIR-golflengtebereik, wat voornamelijk wordt veroorzaakt door de twee aspecten:(1) annihileren van de nanostructuren op het siliciumoppervlak, waardoor het lichtvangende effect wordt verminderd [18]; en (2) resulteren in de herschikking van de bindingen in de siliciummatrix, die zwavelverontreinigingen optisch inactiveert [11].

een –c Afhankelijkheid van absorptie van verschillende fabricageprocessen met verschillende implantatiedoses. d Onzuiverheidsband die zich binnen de bandgap van Si bevindt, vergemakkelijkt het genereren van dragers die deelnemen aan de absorptie van fotonen met lagere energie. e Scanning-elektronenmicrofoto van siliciumpieken. v Illustratie van optisch pad op microgestructureerd oppervlak

Vanwege de vergelijkbare oppervlaktestructuur die wordt gecreëerd door dezelfde laserparameters, hangt de absorptie-intensiteit in het NIR-bereik voornamelijk af van de onzuiverheidsniveaus van de doteerstof [19]. In het verleden hebben we de mogelijke S-gerelateerde energieniveaus geïllustreerd die overeenkomen met de spectrale kenmerken van de fotorespons [20]. Het toonde aan dat de grote verbetering die in het NIR-gebied werd waargenomen, afhankelijk was van het S-gerelateerde energieniveau (~ -614 meV), wat de sub-bandgap-absorptie aanzienlijk verbeterde. Voorafgaand aan het gloeiproces heeft de absorptie geen dramatische verandering met betrekking tot de dopingdosis, zoals weergegeven in figuur 2a. Het microgestructureerde silicium met 10 ¹⁶ en 10 ¹⁵ ion/cm ² implantatiedosis vertonen vergelijkbare absorptie, en het monster geïmplanteerd op 10 ¹⁴ ionen/cm ² vertoont een onmerkbare daling. We zijn van mening dat de lagere absorptie voor gegloeide monsters in het NIR-bereik kan worden toegeschreven aan de twee aspecten. MA Sheehy et al. [21] stelde voor dat de afname van de absorptie van onder de bandgap na het gloeiproces wordt toegeschreven aan de diffusie uit de kristallijne korrels naar de korrelgrenzen van de oververzadigde doteermiddelen en defecten. Deze defecten omvatten vacatures, bungelende obligaties en zwevende obligaties. Zodra de defecten naar de korrelgrenzen diffunderen, zouden ze niet langer bijdragen aan onzuiverheidsbanden in het Si, waardoor de absorptie van straling onder de bandgap wordt verminderd. Bovendien meldde de literatuur [22] dat er geen opmerkelijke herverdeling van S plaatsvond totdat de gloeitemperatuur 650 ° C bereikte. Tijdens dit proces lijkt de S te complexeren met defectclusters, wat betekent dat de S-atomen met elkaar zullen combineren op het Si-wafeloppervlak. Dit fenomeen leidt tot een verlaging van de actieve dopingconcentratie.

een Afhankelijkheid van absorptie van verschillende ionen-implantatiedosis. Alle monsters werden microgestructureerd door PLM. b Elektronische eigenschappen van referentiesilicium en microgestructureerd silicium voor verschillende ionen-implantatiedosis vóór en één na uitgloeien

De dragerdichtheid en mobiliteit van microgestructureerd silicium met verschillende ionenimplantatiedoses worden getoond in figuur 2b. Het is duidelijk dat de plaatdichtheid toeneemt met de ionenimplantatiedosis en de mobiliteit afneemt met toenemende ionenimplantatiedosis. Volgens Shockley-Read-Hall (SRH) recombinatie-effect, in een indirecte bandgap halfgeleider zoals Si en Ge, neemt de levensduur van de drager af met de toename van de doteringsconcentratie [23, 24]. De afname van mobiliteit leidt tot een toename van de recombinatiekans, dus de afname van mobiliteit resulteert in een afname van de elektronenlevensduur en de afname van mobiliteit met toenemende dopingdosis is consistent met het SRH-recombinatie-effect. Na het uitgloeien neemt de dichtheid van de plaatdrager drastisch af als gevolg van het thermische diffusie-effect, zoals we eerder hebben besproken.

Figuur 3 toont de fotorespons met verschillende dopingdoses, en de inzet toont het diagram van n+/p fotodetector. De fotorespons op het NIR-bereik geeft het verschijnen van een door onzuiverheid gemedieerde band aan. De prominente piek bij ongeveer 960 nm komt overeen met het genereren van elektron-gatparen in siliciumsubstraat, die worden gescheiden door de ingebouwde potentiaal van n ⁺ /p knooppunt en verzameld aan de boven- en onderkant Al contacten. Dit fenomeen staat bekend als de heterojunctietheorie in Si-apparaten [25].

Fotorespons van n+/p-detectoren met verschillende ionenimplantatiedosis. Inzet toont het bovenaanzicht en de doorsnede van het apparaat. Lichtgrijs toont de patronen van interdigitated contact op het microgestructureerde oppervlak en al het staande contact op de achterkant

De waargenomen fotorespons in NIR wordt toegeschreven aan de zwavelverontreinigingsniveaus in hypergedoteerd silicium. Dergelijke onzuiverheidsniveaus vergemakkelijken de onderstaande bandgap-absorptie zoals hierboven vermeld. Het geabsorbeerde NIR-licht wordt omgezet in elektron-gatparen, wat resulteert in een verbetering van de fotorespons in het NIR-bereik (1100 ~ 1600 nm) [20]. Het apparaat met implantatiedosis van 10 ¹⁴ ionen/cm ² toont de hoogste fotorespons in het golflengtebereik van 1010-1100 nm. De brede piek is onderzocht met tot diepe zwavelniveaus in femtoseconde laserverwerkt silicium [20, 26]. Daarnaast hebben we geconstateerd dat het apparaat met 10 ¹⁴ ionen/cm ² heeft een hogere fotorespons vertoond dan die met 10 ¹⁵ en 10 ¹⁶ ionen/cm ² . En de Hall-meting gaf aan dat het monster geïmplanteerd was op 10 ¹⁴ ionen/cm ² had een bulkconcentratie van 10 ¹⁹ ionen/cm ³ . Zoals aangetoond door het SRH-recombinatie-effect, hangt de levensduur van de drager af van de doteringsconcentratie in silicium. E. Mazur heeft geconcludeerd dat het monster met 10 ¹⁹ ionen/cm ³ De doteringsconcentratie zou naar verwachting een langere levensduur van de drager vertonen dan 10 ²⁰ en 10 ²¹ ionen/cm ³ [23]. Onze Hall-meetresultaten, monster geïmplanteerd op 10 ¹⁴ ionen/cm ² de hoogste mobiliteit vertoont, zijn het eens met de conclusie. Op basis van deze theorie, hoewel een monster met een hogere dopingdosis een grotere absorptie vertoont, is er nog steeds een evenwicht tussen optische absorptie en mobiliteit van de drager. Zoals weergegeven in Afb. 3, heeft het apparaat met 10 ¹⁴ ionen/cm ² is het meest waarschijnlijk om de hoogste fotorespons te vertonen, wat consistent is met de conclusie gerapporteerd in Ref. [23].