Verbeterde nabij-infraroodabsorptie via tweestapsfabricatie van gestructureerd zwart silicium en toepassingen in toestellen

Samenvatting

Silicium is de basis van de halfgeleiderindustrie, doch de inherent hoge reflectantie en wijd bandgap beperken de prestaties in nabij-infrarood (NIR) fotodetectie. In dit werk passen we een tweestapsfabricatiebenadering toe—diep reactieve ionenetsen (DRIE) gevolgd door plasma-implantatie ionenimplantatie (PIII)—om microgestructureerd zwart silicium (BSi) te creëren op kristallijn silicium (C-Si). Het zwavel-gedopte oppervlak levert een vernauwd bandgap en aanzienlijk verbeterde absorptie, met name tussen 800 en 2000 nm, met een maximum van 83 %. Wanneer geïntegreerd als de achterkant van een Si-PIN fotodiod, levert de BSi-laag een responsiviteit van 0,53 A W⁻¹ bij 1060 nm, wat het potentieel benadrukt voor hoge-gevoeligheid NIR-detectie.

Achtergrond

Micro- en nanogestructureerd zwart silicium is een focus geworden voor het verbeteren van lichtabsorptie over het zichtbare en NIR-spectrum. DRIE, een cyclische ets-passivatie techniek die SF₆ gebruikt voor isotropische ets en C₄F₈ voor zijwandpassivatie, faciliteert de creatie van hoog-aspectratio structuren wier geometrie wordt bepaald door maskerafmetingen, gasstromen, elektrodevermogen, en cyclusduur. daaropvolgende ionenimplantatie dopet het geetste silicium, introduceerend zwavelatomen die sub-bandgap toestanden genereren en het absorptiespectrum verbreden. Deze ingenieursoppervlakken hebben toepassingen gevonden in gevoelige fotodetectoren, fotovoltaische cellen, biochemische sensoren, displays, en optische communicatie. In onze eerdere studie onderzochten we een Si-PIN detector met frontoppervlak BSi, noterend een afweging tussen NIR-gevoeligheid en zichtbare-licht responsiviteit door ladingsverzamelingsuitdagingen. Dit motiveerde het huidige onderzoek naar BSi op het achteroppervlak om zowel NIR te verbeteren als acceptabele zichtbare prestaties te behouden.

Dit artikel rapporteert over de verbetering van lichtabsorptie en bandgapvernauwing die behaald wordt door een DRIE–PIII tweestapsproces. We analyseren hoe verschillende etsparameters de absorptie van 400 tot 2000 nm beïnvloeden en evalueren een Si-PIN detector met achteroppervlak BSi voor responsiviteit over 400–1100 nm.

Methoden

Figuur 1a illustreert de uniforme, periodieke cilindrische arrays geselecteerd voor optische simulaties met FDTD-software. Figuur 1b toont hoe de absorptie varieert met vier cilinder-array modellen die een diameter delen (D = 4 µm) maar verschillen in centrumafstand (T₁ = 12 µm, T₂ = 10 µm, T₃ = 8 µm, T₄ = 6 µm) na optimalisatie.

Op basis van de simulatie werden drie fotolithografiemaskers ontworpen: masker I (D = 4 µm, T = 6 µm), masker II (D = 4 µm, T = 8 µm), en masker III (D = 4 µm, T = 10 µm). Een 15 × 15 cm² n-type siliciumwafer (500 µm dik, resistiviteit 2500–3000 Ω cm) ontving de NR9-1500PY fotoresist en werd gepatentereerd met de cirkelvormige arrays. De wafer werd geetst in een DRIE-kamer (ICP-100D) met SF₆ (ets) en C₄F₈ (passivatie) cycli voor 30, 70, of 100 herhalingen. Na ets werd resterende fotoresist verwijderd onder zuurstofplasma om schone oppervlakken te verkrijgen. Om de NIR-absorptie verder te verbeteren, werden masker III monsters onderworpen aan PIII met een zwaveldosis van 1,0 × 10¹⁵ cm⁻² bij 800 eV.

Morfologie werd onderzocht met een JSM-7500F veldemissie SEM. Absorptie werd gemeten bij kamertemperatuur met een NIR2500 vezel-optische spectrometer gekoppeld aan een Idea Optics integrerende bol (IS-20-5). Detector responsiviteit werd bepaald met een OPHIR Vega optische vermogenmeter, een Scitec Instruments optische chopper (Model-300CD), en een Keithley 2636B onder donkere omstandigheden. Alle metingen werden gekalibreerd en herhaald op 4–6 monsters voor betrouwbaarheid.

Resultaten en Discussie

Figuur 3 presenteert SEM-beelden van de uitgelijnde microgestructureerde arrays voor de drie maskergroottes. De bovenaanzicht afwijkingen van perfecte cirkels zijn te wijten aan de wisselwerking tussen DRIE-etsen en maskergetrouwheid. De etsdiepte neemt toe met het aantal cycli, bereikend ~1,87 µm (30 cycli), 2,35 µm (70 cycli), en 3,15 µm (100 cycli). Laterale ets, ondanks zijwandpassivatie, leidt tot licht getapte pilaren, wat de noodzaak bevestigt om lithografie en cycli-parameters te finetunen voor optimale morfologie.

Dwarsdoorsnede-aanzichten (Figuur 4) bevestigen de progressieve toename in pilaarhoogte met cyclusaantal. Hoewel de DRIE-passivatielaag de zijwanden beschermt, blijft enige laterale ets, wat de uiteindelijke vorm beïnvloedt.

Figuur 5a toont de absorptie van de microgestructureerde arrays zonder PIII. Vergeleken met kaal C-Si verbeteren de geetste arrays de absorptie over 400–2000 nm, met het 100-cycli monster dat tot 70 % in het NIR bereikt. Meervoudige interne reflecties binnen de pilaren verhogen de optische weglengte, wat de absorptie verhoogt. Echter, absorptie boven 1000 nm blijft bescheiden, wat zwaveldoping motiveert. Na PIII onthult Figuur 5b een duidelijke absorptietoename over het gehele spectrum. De piekabsorptie van het 100-cycli monster stijgt naar 83 %, en de gemiddelde absorptie bereikt 62 %. Zwavelimplantatie introduceert verontreinigingsbanden die overlappen, wat het effectieve bandgap vernauwt en sub-bandgap fotonabsorptie mogelijk maakt. Dit is zichtbaar uit de bandgapreductie van 1,12 eV (C-Si) naar 1,045 eV, 1,033 eV, en 1,025 eV voor 30, 70, en 100 cycli, respectievelijk (Figuur 7). De analyse gebruikte Kubelka-Munk theorie en Tauc-plots om deze waarden te extraheren. Figuur 6 illustreert het meervoudige reflectiemechanisme binnen de pilaar-arrays, wat de verhoogde absorptie verklaart.

De integratie van het achteroppervlak BSi in een Si-PIN fotodiod (Figuur 8a) omvatte: (1) oxideren van beide kanten van een monokristallijn n-type wafer; (2) diffuseren van boor om de P-laag op de voorzijde te vormen; (3) deponeeren van Si₃N₄ en polijsten van de achterkant tot ~200 µm; (4) dopen van een N⁺-laag en laten groeien van de BSi-pilaren erbovenop; en (5) patroneren van metaalcontacten. Toestel 2, met een 2 mm-diameter foto-gevoelig gebied, vertoont een lekkagestroom vergelijkbaar met commerciële Si-PIN fotodioden. Bij 1060 nm verlichting bereikt de responsiviteit 0,53 A W⁻¹, een duidelijke verbetering ten opzichte van de commerciële S1336-44BK (toestel 1). Opvallend is dat de responsiviteit van toestel 2 in het 680–1100 nm bereik die van toestel 1 met ~60 nm overtreft, wat de effectiviteit van achteroppervlak BSi bevestigt in het uitbreiden van NIR-gevoeligheid.

De beperkte verbetering in zichtbare-licht responsiviteit van toestel 2 komt doordat fotonen boven het C-Si bandgap worden geabsorbeerd in de voorste P-laag, waardoor het achteroppervlak BSi grotendeels irrelevant is voor ladingsverzameling. In tegenstelling, NIR-fotonen doorpenetreren de voorste laag, worden geabsorbeerd in de N-laag, en de resulterende ladingen worden efficiënt verzameld door de N⁺-contact onder omgekeerde bias, wat leidt tot de aanzienlijke responsiviteitswinst.

Hoewel de huidige studie een haalbare route naar NIR-verbeterde fotodioden demonstreert, kunnen verdere optimalisatie van DRIE-parameters, ionenimplantatie-energiën, en toestelarchitecturen nog hogere prestaties en bredere toepasbaarheid opleveren.

Conclusies

We hebben met succes microgestructureerd zwart silicium gefabriceerd via een DRIE–PIII tweestapsproces. Drie pilaargeometrieën (masker I: D = 4 µm, T = 6 µm; masker II: D = 4 µm, T = 8 µm; masker III: D = 4 µm, T = 10 µm) leverden hoogtes van 1,87, 2,35, en 3,15 µm, respectievelijk. Deze structuren bereikten een piekabsorptie van 83 % en een gemiddelde van 62 % over 400–2000 nm, toegeschreven aan verhoogde optische weglengte en een vernauwd bandgap door zwaveldoping. De integratie van de BSi als het achteroppervlak van een Si-PIN fotodiod produceerde een responsiviteit van 0,53 A W⁻¹ bij 1060 nm en 0,31 A W⁻¹ bij 1100 nm, wat een commerciële S1336-44BK detector in het NIR aanzienlijk overtreft. Deze benadering biedt een veelbelovend pad voor hoge-gevoeligheid NIR-fotodetectoren.

Afkortingen

DRIE

Diep reactieve ionenetsen

PIII

Plasma-implantatie ionenimplantatie

BSi

Zwart silicium

C-Si

Kristallijn silicium

FDTD

Eindige-differentie tijd-domein

NIR

Nabij-infrarood

SEM

Scanning elektronenmicroscopie

HRTEM

Hoog-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie