Verbeterde nabij-infrarood prestaties van zwavel-hypergedopeerde silicium fotodiodes geproduceerd door femtoseconde laser-geïnduceerde gepulste smelting

Samenvatting

Verontreiniging-gemedieerde nabij-infrarood (NIR) fotorespons in silicium is een sleuteldoel voor next-generation fotovoltaïsche en fotodetector toepassingen. In deze studie fabriceren we een reeks n⁺/p fotodiodes door zwavel-ion-implantatie te combineren met femtoseconde gepulste laser-smelting (PLM). De resulterende hypergedopeerde silicium apparaten vertoonden een opvallende toename in NIR-absorptie en fotostroom. Het apparaat geïmplanteerd bij 1 × 10¹⁴ ionen cm⁻² leverde de beste prestaties, wat aantoont dat een bescheiden dopantdosis, gekoppeld met PLM, low-cost breedband silicium fotodetectoren kan opleveren.

Achtergrond

Conventioneel silicium lijdt aan een 1,12 eV bandkloof, wat de intrinsieke NIR-gevoeligheid beperkt. Talrijke strategieën—varierend van oppervlakte-texturering tot sub-bandkloof dotering—zijn verkend om deze barrière te overwinnen. De doorbraak van chalcogeen-oversadigde silicium, bereikt door laserbestraling in een SF₆-atmosfeer, onthulde dat silicium kan worden gedopeerd boven zijn evenwichtsoplosbaarheid, wat verontreinigingsbanden creëert die onder de bandkloof absorberen. De kegelvormige microstructuren gevormd tijdens laser-smelting verbeteren lichtopvanging verder, wat de absorptie-efficiëntie verhoogd. Op deze concepten voortbouwend, ontwierpen we zwavel-hypergedopeerd silicium door ion-implantatie gevolgd door femtoseconde PLM, en evalueerden de elektrische en optische respons van n⁺/p junction fotodetectoren.

Methoden

Eenzijdig gepolijste p-type (100) silicium wafers (300 µm dik, 8–12 Ω cm resistiviteit) werden geïmplanteerd met 1,2 keV ³²S⁺ ionen tot een diepte van ~40 nm. Implantatiedoses van 1 × 10¹⁴, 1 × 10¹⁵ en 1 × 10¹⁶ ionen cm⁻² werden gebruikt. PLM werd uitgevoerd met een 1 kHz trein van 100 fs, 800 nm pulsen bij een fluence van 0,5 J cm⁻²; de 200 µm laserspot werd gescand om 10 mm × 10 mm vierkanten te patroneren. Snelle thermische annealing bij 600 °C gedurende 30 min in N₂ voltooide het proces.

Absorptie (A) werd afgeleid van reflectantie (R) en transmissie (T) gemeten met een UV-Vis-NIR spectrophotometer (Shimadzu UV3600) en integrerende bol (A = 1 – R – T). Dragerconcentratie en mobiliteit werden verkregen via kamertemperatuur Hall-effect (van der Pauw methode). Om de verontreiniging-gemedieerde sub-bandkloof absorptie te onderzoeken, werd Fourier-transformatie fotostroomspectroscopie uitgevoerd met een gehakte FTIR globar bron en lock-in detectie.

Resultaten en Discussie

Figuur 1 toont dat PLM de absorptie over het zichtbare en NIR-bereik dramatisch verhoogt vergeleken met as-geïmplanteerde monsters. Annealing vermindert echter NIR-absorptie door twee hoofmechanismen: (1) erosie van de kegelvormige nanostructuren vermindert licht-opvanging, en (2) zwavelatomen worden optisch geïnactiveerd door bindingherrangschikking. De gemicrostructureerde speel dus een cruciale rol in de verbeterde NIR-respons.

Omdat de oppervlaktetopologie identiek is over monsters, hangt NIR-absorptie primair af van de zwavelconcentratie. Eerder werk identificeerde een zwavel-gerelateerd niveau bij ~614 meV, wat de uitgesproken NIR-absorptie ten grondslag ligt. Pre-annealing is de absorptie relatief ongevoelig voor dosis: 10¹⁶ en 10¹⁵ ionen cm⁻² leveren vergelijkbare waarden, terwijl 10¹⁴ ionen cm⁻² een bescheiden afname toont. Post-annealing wordt de absorptiedaling toegeschreven aan dopantdiffusie naar korngrenzen en vorming van zwavel-defectclusters, wat de actieve verontreinigingsbanddichtheid verlaagt.

Dragerblad-dichtheid stijgt met dosis terwijl mobiliteit daalt, consistent met Shockley-Read-Hall recombinatie: hogere dopantniveaus verkorten dragerlevensduur, wat recombinatiekans verhoogt. Annealing verlaagt blad-dichtheid dramatisch door thermische diffusie.

Figuur 3 presenteert de fotorespons-spectra. Een duidelijke piek bij ~960 nm weerspiegelt generatie van elektronen-gaten paren in het Si-substraat, geëxtraheerd door het ingebouwde veld van de n⁺/p junction. In het NIR-band (1100–1600 nm) overtreft het 10¹⁴ ionen cm⁻² apparaat hogere-dosis tegenhangers, bereikend de hoogste fotostroom. Hall-data tonen een bulk-concentratie van ~10¹⁹ cm⁻³ en de beste mobiliteit bij deze dosis, wat bevestigt dat een optimale afweging tussen absorptie en dragertransport superieure apparaatprestaties oplevert.

Conclusies

Onze systematische studie toont aan dat zwavel-hyperdotering via ion-implantatie gevolgd door femtoseconde PLM de NIR-absorptie en fotodetectorprestaties van silicium aanzienlijk verbetert. Het apparaat geïmplanteerd bij 1 × 10¹⁴ ionen cm⁻² vertoonde de hoogste fotorespons, wat de cruciale balans tussen verontreiniging-geïnduceerde absorptie en drager-mobiliteit bevestigt. Deze schaalbare, lage-kost benadering baant de weg voor breedband silicium fotodiodes geschikt voor geïntegreerde photonics en energie-opwekking toepassingen.