Verbeterde nabij-infraroodabsorber:in twee stappen gefabriceerd gestructureerd zwart silicium en de bijbehorende apparaattoepassing

Resultaten en discussie

Afbeelding 3 geeft de typische SEM-beelden van uitgelijnde microgestructureerde siliciumarrays die loodrecht op het oppervlak van het substraat staan ​​voor drie verschillende maskergroottes. Het is duidelijk aangetoond dat het bovenaanzicht van het microgestructureerde silicium eigenlijk geen standaardcirkels zijn vanwege het feit dat het DRIE-proces voornamelijk afhangt van de maskergrootte en de kwaliteit van de fotolithografietechniek. Om vervolgens het effect van het etsproces op de lichtabsorptie van microgestructureerd silicium te onderzoeken, veranderen we de cyclustijden als 30, 70 en 100 keer op masker III-testmonsters onder de omstandigheden van etsen met SF₆ voor 3 s, en passiveren met C₄ F₈ gedurende 2 s, elke cyclustijd.

Typische microgestructureerde siliciumarrays gemaakt door DRIE voor verschillende maskerformaten. een Masker I. b Masker II. c Masker III

Afhankelijk van de verschillende etssnelheidsverhoudingen tussen fotoresist en silicium, kan de etsdiepte worden geregeld door procesparameters, zolang de fotoresist maar dik genoeg is als een masker. Uit figuur 4 blijkt dat de hoogte van cilinders toeneemt met het aantal cyclustijden, waarbij de hoogte van de bovenkant tot het substraat respectievelijk ongeveer 1,87 m, 2,35 m en 3,15 μm is. Het is algemeen bekend dat bij het DRIE-proces, hoewel er passiveringsgassen zijn om de zijwand van het etsdoel te beschermen, dit min of meer gepaard gaat met lateraal etsen. Dit is de reden waarom de resulterende morfologieën geen ideale cilindrische arrays zijn. Het is duidelijk dat de morfologieën van deze microgestructureerde siliciumarrays goed kunnen worden gecontroleerd door de lithografieproces- en etscyclustijden te variëren.

Doorsnede van masker III-monsters vervaardigd voor verschillende cyclustijden. (een ) 30, (b ) 70, en (c ) 100

Figuur 5a geeft de lichtabsorptie weer van microgestructureerde cilindrische arrays bij verschillende cyclustijden zonder PIII-proces. Het is aangetoond dat C-Si met geëtste siliciumarrays, vergeleken met gewoon C-Si, de lichtabsorptie in het golflengtebereik van 400 tot 2000 nm tot op zekere hoogte kan verbeteren. Het monster dat gedurende 100 cyclustijden is geëtst, heeft de hoogste absorptie, tot 70% in het NIR-bereik (800 tot 2000 nm), en de gemiddelde absorptie van dit monster bereikt 55% in het golflengtebereik van 400 tot 2000 nm. Dit komt door de meervoudige reflectie en absorptie van microgestructureerd silicium (zoals in figuur 6). Terwijl invallend licht continu wordt gereflecteerd op het zijoppervlak van de cilinder, neemt de absorptiepadlengte van invallend licht toe, wat resulteert in de absorptieverbetering. Desalniettemin is de absorptiesnelheid nog steeds niet hoog genoeg wanneer de golflengte meer dan 1000 nm is. Om de absorptie van microgestructureerd silicium verder te verbeteren, vooral in de nabij-infrarode band, worden dezelfde monsters daarom gedoteerd met zwavelelementen door middel van het PIII-proces onder de voorwaarde van 1,0E + 15 cm ^− 2 implantatiedosis en 800 eV implantatie-energie, respectievelijk. Zoals getoond in figuur 5b, is de lichtabsorptie duidelijk verhoogd in het golflengtebereik van 400 tot 2000 nm na ionenimplantatie. Hier is de lichtabsorptie van het geëtste monster gedurende 100 cyclustijden veel hoger dan die van C-Si. De maximale en gemiddelde lichtabsorptie nemen aanzienlijk toe tot respectievelijk 83% en 62%. Bovendien kan men gemakkelijk waarnemen (zoals in figuur 5c) dat de absorptie van 100 cyclusmonsters een significante verandering in de golflengte heeft van 800 tot 2000 nm voor en na doping van zwavelelementen, waarbij de maximale en gemiddelde waarden toenemen met 13% en respectievelijk 7%.

Absorptie van C-Si en zwart silicium vervaardigd door verschillende cyclustijden voor (a ) en na PIII (b ) en vergelijking van 100 cyclusvoorbeelden (c )

Het transmissiepad van invallend licht op het oppervlak van microgestructureerd silicium

Deze hoge absorptie komt voornamelijk van de zwaveldotering onder microgestructureerde cilindrische arrays, waardoor meerdere onzuiverheidsniveaus in de energiebandstructuur van C-Si worden gevormd. Als gevolg hiervan wordt, wanneer deze geïnduceerde meerdere onzuiverheidsniveaus elkaar overlappen, een nieuwe onzuiverheidsband gevormd na verbreding, die uiteindelijk de bandafstand van C-Si vermindert. De bandgap kan worden verkregen uit het absorptiespectrum van het monster door Tauc-mapping. De specifieke genomen stappen zijn als volgt:

(i) het reflectiespectrum wordt geconverteerd naar K-M-functie F (R _∞ ) met behulp van de Kubelka-Munk-theorie:

waarin R en A zijn respectievelijk het reflectiespectrum en het absorptiespectrum van het monster.

(ii) De K-M-functie F (R _∞ ) wordt als volgt in de Tauc-formule vervangen:

waarin de waarde van index n gerelateerd is aan het overgangstype van de steekproef:directe overgang, n = 1/2; indirecte overgang, n = 2. F (R _∞ ) is evenredig met de absorptiecoëfficiënt α, die kan worden vervangen door F (R _∞ ), en n = 2 wordt in de formule (2) vervangen om het volgende te verkrijgen:

(iii) De reflectie- en absorptiespectrale gegevens van het monster worden vervangen door Vgl. (1), en vgl. (1) is gesubstitueerd in Vgl. (4), met hv als de abscis (X as) en (hvF(R .) _∞ )) ^1/2 als de ordinaat (Y as).

(iv) Het buigpunt (het maximale punt van de eerste afgeleide) wordt verkregen door de eerste afgeleide van de hv te berekenen -(hvF(R .) _∞ )) ^1/2 kromme, en de raaklijn van de kromme wordt op dit punt gemaakt. De absciswaarde van het snijpunt van de raaklijn en de X as zijn de band gap van het monster.

Afbeelding 7 toont de uiteindelijke berekende bandafstanden van C-Si en zwart silicium met verschillende cyclustijden. Het kan gemakkelijk worden vastgesteld dat drie lagere bandafstanden van zwart silicium, namelijk 1,045 eV, 1,033 eV en 1,025 eV duidelijk respectievelijk kleiner zijn dan de 1,12 eV bandafstand van C-Si.

Bandhiaten van C-Si (a ) en zwart silicium gemaakt door verschillende cyclustijden:(b ) 30, (c ) 70, (d ) 100

Gebaseerd op het bovengenoemde zwarte silicium met verbeterde optische eigenschappen, is een Si-PIN-detector gefabriceerd met zwart silicium gevormd op het achteroppervlak. Eerst wordt een zuivere intrinsieke monokristallijne siliciumwafel (n-type) aan beide zijden geoxideerd en vormt SiO₂ lagen. Ten tweede wordt de P-laag gefabriceerd door boordiffusie op het lichtgevoelige gebied dat vroeg wordt gevormd door het etsen van de SiO₂ laag op het vooroppervlak van de wafer door middel van een fotolithografieproces. Ten derde, een laag Si₃ N₄ permeatiefilm wordt afgezet op de P-laag en vervolgens wordt het achteroppervlak van de wafel gepolijst en gemalen tot een dikte van ongeveer 200 m. Ten vierde, een P-gedoteerde N ⁺ laag wordt afgezet op het geslepen oppervlak en vervolgens wordt het microgestructureerde zwarte silicium gevormd op de bovenkant van N ⁺ laag. Ten slotte worden de elektrodevensters geëtst door een fotolithografieproces en worden metalen elektroden aan beide zijden van de wafel afgezet. Afbeelding 8 geeft een echt apparaatbeeld (a), donkerstroom (b), IV-curve onder 1060 nm golflengteverlichting (c) en de responsiviteitsvergelijking van twee verschillende detectoren (d). Hierbij wordt verklaard dat de responsiviteit van apparaat 1 (S1336-44BK, een commerciële Si-PIN-detector) opnieuw is geplot op basis van de openbare website van Hamamatsu Photonics Company [22], en de responsiviteit van apparaat 2 is verkregen op onze nieuwe gefabriceerde Si-PIN-detector met zwart silicium gevormd op het achteroppervlak, waarin het lichtgevoelige oppervlak een cirkel was met een diameter van 2 mm. Het is duidelijk te zien dat apparaat 2 een aanzienlijke toename van de responsiviteit heeft, met name bij nabij-infrarode golflengten, d.w.z. respectievelijk 0,53 A/W bij 1060 nm en 0,31 A/W bij 1100 nm.

Detectorbeeld (a ), donkere stroom (b ), I–V-curve onder 1060 nm golflengteverlichting (c ), en de reacties van twee verschillende detectoren (d ):apparaat 1 van ref. [22] en apparaat 2 op basis van de resultaten van de huidige paper. De inzet van d toont de apparaatstructuur

Uit figuur 8b blijkt dat hoewel de Si-PIN-detector met zwart silicium gevormd op het achteroppervlak (apparaat 2) een relatief kleine verbetering van de responsiviteit in het zichtbare spectrum vertoont, het responsspectrum ervan een nog hogere responsiviteit in de golflengte geeft. bereik van 680 tot 1100 nm met ongeveer 60 nm roodverschuiving van piekresponsiviteit, vergeleken met de commerciële Si-PIN-detector (apparaat 1). De belangrijkste reden voor een dergelijk onderscheid is dat de apparaatstructuur van deze twee detectoren (apparaten 1 en 2) verschillend is. Wanneer de fotonenergie groter is dan de bandafstand van C-Si, wordt het invallende licht voornamelijk geabsorbeerd door de P-laag en hebben de gegenereerde dragers dus voldoende energie om de N-laag te passeren. De meeste gegenereerde dragers kunnen worden verzameld door N ⁺ laag om fotostroom door de elektrode uit te voeren. In deze toestand, of het achteroppervlak van de detector wordt geïntroduceerd met of zonder zwart silicium, zal er een beperkte invloed zijn op de apparaatrespons in de zichtbare golflengte. Anders dan de detector met zwart silicium aan de voorkant [21], vertoont apparaat 2 een betere respons in de zichtbare golflengte. Daarom is er relatief weinig verbetering in de respons op zichtbaar licht volgens de gemeten responsiviteitscurve. Opnieuw in apparaat 2, omdat de zwarte siliciumlaag op het achteroppervlak is geplaatst, zelfs als de fotonenergie minder is dan de bandafstand van C-Si, kan nabij-infraroodlicht de P-laag doordringen en door de N-laag worden geabsorbeerd, en dan kan een groot aantal gegenereerde dragers worden verzameld door de N ⁺ laag onder de actie van omgekeerde bias. Als gevolg hiervan zal er een aftelbare fotostroomoutput zijn en vertegenwoordigt het apparaat een substantiële toename van de responsiviteit van de nabij-infrarode golflengte.

Volgens bovenstaande resultaten zou onze huidige studie een haalbare strategie kunnen bieden voor nabij-infrarood foto-elektronisch detectieveld, maar er zijn nog steeds veel aspecten waarmee rekening moet worden gehouden. Er moeten bijvoorbeeld betere fabricageprocessen en ionenimplantatietechnologieën van microgestructureerd zwart silicium worden onderzocht, die de morfologieën en bandhiaten van het gestructureerde silicium nauwkeurig zouden kunnen beheersen. Bovendien moeten enkele andere nieuwe apparaatstructuren van foto-elektronische detectoren op basis van zwart silicium worden ontworpen om betere apparaatprestaties te realiseren.